DE2441162A1 - Elektromotor - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL.-INÜ. STAPF DIPL-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45

Anwaltsakte: 25 328 28. August 1974

George Kent Limited
Luton, Bedfordshire/Großbritannien

Elektromotor

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen Drehmomentmotor, d. h. einen Motor, um über einen begrenzten ürehzahlbereich des Rotors des Motors ein Drehmoment zu erzeugen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Dreh-" momentmotor, dessen Rotor sich innerhalb eines Bereichs von weniger als einer vollen Umdrehung zur Hin- und Herverlagerung bzw. -Schwenkung eines Teils drehen soll und dazu ein Drehmoment erzeugen soll.

In von Elektromotoren angetriebenen Systemen ist es oft erforderlich, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eines von dem Motor angetriebenen beweg- bzw. verschiebbaren Teils ein Rückführsignal zur Verfügung zu haben. Beispielsweise in

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t (089) 98 82 72 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100

987043 Telegramme: BERGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 3892623

"«3310 TELEX: 0524 560 BERG d Postscheck München 65343-808

einem Aufzeichnungsgerät bzw. Schreiber mit Folgeregelantrieb bzw. Servoantrieb derart, in welchem eine Aufzeichnungs-Schreibeinrichtung mittels eines Motors angetrieben wird, welcher entsprechend der Differenz zwischen einer dem Eingang an dem Aufzeichnungsgerät proportionalen Spannung und einer von der Stellung der Schreibeinrichtuhg abhängigen Spannung gesteuert wird, sollte eine Rückführspannung verwendet werden, welche der Geschwindigkeit der Schreibeinrichtung entgegen der Differenzspannung proportional ist, um tatsächlich eine Dämpfung der Bewegung der Schreibeinrichtung zu schaffen, wenn diese sich der Gleichgewichtslage nähert, und um ein "Pendeln" der Schreibeinrichtung um die Gleichgewichtslage· herum zu verhindern,

Gemäß der Erfindung weist ein Drehmomentmotor mit einem in einem Stator drehbar gehalterten Dauermagnet-Rotor eine erste Wicklung auf dem Stator, welche zur Erregung der Wicklung an eine elektrische Quelle angeschlossen ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches mit dem Magnetfeld des Rotors in Wechselwirkung steht, um ein Drehmoment zu erzeugen aufgrund dessen eine relative Drehung zwischen dem Rotor und dem Stator hervorgerufen wird, und eine zweite Wicklung auf, welche auf dem Stator so angeordnet ist, daß eine Drehung des Magnetfeldes des Rotors relativ zu dem Stator eine Spannung in der zweiten Wicklung induziert, deren Größe von der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen dem Rotor und dem Stator abhängt.

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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindunc sind die ersten und zweiten Wicklungen koaxial auf den Stator gewickelt. Ferner kann der Drehmomentmotor als Antriebsmotor -für ein Aufzeichnungsgerät mit einer Schreibeinrichtung mit Folgere_uelantrieb der eingangs beschriebenen Art verwendet werden, wobei die Rückführspannung aus der in der zweiten Wicklung des Motors induzierten Spannung erhalten wird.

Ferner ist gemäß der Erfindunc eine Einrichtung zur Einstellung bzw. Positionierung eines beweg- bzw. verschiebbaren Teils in Abhängigkeit von der Größe der veränderlichen Eingangsspannung gemäß den Merkmalen des Anspruch 5 geschaffen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schnitt eine Seitenansicht entlang der Linie I-I der Fig. 3 eines Drehmomentmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie H-II der Fig. 3;

Fig. 3 eine Ctirnansicht des Motors, bei welchem die Abdeckplatte entfernt ist;

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Fir. ^L\ eine Schnittensicht entlang der Linie IY-IV eier Figur 1;

Fig. 5 eine Draufsicht auf ein mit einen Folgeregelantrieb versehenes Aufnahmegeret mit einer Schrcibeinrichtung, wobei ein Motor gemäß den Figuren 1 bis 5 verwendet ist;

Fig. G eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI der Figur 5;

Fig. 7 ein Schaltbild des Aufnahmegeräts p-erai-'ß den Figuren 5 und 6; und

Fig. 8 ein Schaltbild, welches zwei mögliche Abwandlungen des Schaltbilds der Fig. 7 zeigt.

In den Figuren 1 bis 4 weist ein Drehmomentmotor 10 einen Scator 12 auf, welcher in einem zylindrischen Gehäuse 14 untergebracht ist, welches mittels einer kreisförmigen F.ridplattevund einer Hatte 18 abgeschlossen ist, welche sich nach außen über das Gehäuse 14 hinaus erstreckt, wodurch eine Halterung für den ftotor geschaffen ist. Ein zylindrischer Rotor 20 dreht sich in dem Stator 12 und ist auf einer Welle befestigt, welche in Lagern 24 in dem Stator gelagert und über Öffnungen in der Endplatte 16 und der Ilalterungsplatte 18 sich (auf beiden Seiten) nach außen erstreckt. Der Kotor

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ist ein Dauermacnet-Rotor aus einem entsprechenden ferromagnetischen Material und ist in einer Richtung senkrecht zur Drehachse des Rotors magnetisiert.

Der Stator 12 ist aus unnachgiebigem, massivem Kunststoff hergestellt und weist im allgemeinen die Form eines hohlen Zylinders auf, in dessen Außenfläche eine Anzahl zwischen Rippen 2Ö festgelegten Wicklungsnuten 26 ausgebildet sind. Hierbei sind die Muten so angeordnet, daß die Windungen der Wicklungen in den Nuten in parallelen Ebenen liegen, wobei die Windungen eine gemeinsame, zu der Achse des Rotors 20 senkrechte Achse aufweisen. Der Stator 12 ist aus zwei Teilen gebildet, welche entlang einer zu der Achse des Rotors 20 senkrechten Ebene (s.Fig.2) geteilt sind, so daß der Stator um den Rotor herum zusammengebaut werden kann, bevor auf ihn die Wicklungen bzw. Windungen der einzelnen Wicklungen aufgebracht werden.

In den Nuten 26 des Stators 12 ist eine einzige Treiberbzw. Antriebsspule bzw. -wicklung 32 gewickelt, deren Achse senkrecht zu der Achse des Rotors 20 ist. Die Enden der Antriebswicklung sind mit zwei Anschlüssen.3*1 an einem Anschlußblock 36 verbunden, welcher mittels einer Schraube 33 an dem Stator 12 befestigt ist. In zwei Nuten 26' die sehr nahe der Mittenebene des Stators angeordnet sind, ist eine zweite Wicklung oder Spule 40 koaxial zu der Antriebswicklung 32 aufgebracht, und die Enden dieser zweiten Wicklung ^O sind mit gesonderten Anschlüssen k2 an dem

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Anschlußblock 56 verbunden. Bei einer praktischen Ausführung wird, wie in .Fig. 4 dargestellt ist, die zweite wicklung zuerst in den Jvuten 26' aufgebracht, und dann erst v/ird die Antriebs- oder Treiberwicklung 52 über die Wicklung 40 gewickelt bzw. über dieser aufgebracht. Die zwei Wicklungen oder Spulen sind in entsprechender Weise voneinander isoliert, beispielsweise mittels eines Isolierbandes zwischen den Wicklungen in den Nuten 26'.

Bei Verwendung des Motors fließt aufgrund der an den Anschlüssen^ der Treiberspule bzw. Antriebswicklung 32 angelegten Gleichspannung ein Strom durch die Wicklung, welcher ein Magnetfeld erzeugt, das wiederum ein Drehmoment an dem Rotor 20 hervorruft. Das Drehmoment ist dem Strom in der Wicklung 52 proportional und ändert sich mit der Winkelsteilung des Rotors 50 etwa sinusförmig. Wenn sich der Rotor anfangs nicht in der ein Drehmoment null ergebenden Stellung befindet, wird er aufgrund des an dem Rotor angreifenden Drehmoments gedreht. Durch die Drehung des Magnetfeldes des Rotors 20 bezüglich der zweiten Wicklung 40 v/ird eine Spannung an der Wicklung 40 induziert. Die Größe dieser Spannung ist der Winkelgeschwindigkeit des Rotors proportional und ändert sich mit der Winkelstellung des Rotors etwa sinsuförmig. Die an den Anschlüssen 42 der Wicklung 40 anliegende Spannung schafft dann ein Signal, welches von der Winkelgeschwindigkeit des Rotors abhängt.

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Der Rotor 20 kann aus einem Material mit hoher Koerzitivkraft hergestellt sein, so daß die Wirkung des von dem Strom in der Antriebswicklung 32 erzeugten Magnetfelds einen kleinen Einfluß auf den magnetischen Fluß durch die Wicklung und auch auf die in der Wicklung 'JO durch die Drehung des Rotors induzierte Spannung hat.

In Fig. 5 bis 7 ist ein mit einem Folgeregelantrieb versehenes Aufzeichnungsgerät mit einer Schreibeinrichtung dargestellt, bei welchem der Drehmomentmotor der Figuren 1 bis verwenaet ist. An der Welle 22 des Motors ist ein Hebel 44 befesti_otj welcher über ein Verbindungsglied an einen Arm der Schreibeinrichtung angekuppelt ist. Der Arm 45 trägt an einem Ende einen Schreibeinrichtungshalter 50, welcher mit (Führungs)schienen 50 in Eingriff steht und dadurch gezwungen wird, sich auf einer Geraden zu bewegen.-An seinem anderen Ende ist der Arm 48 gelenkig mit einem Ende eines Verbindungsgliedes 54 verbunden, dessen anderes Ende gelenkig an einer an dem Gestell des Aufzeichnungsgeräts befestigten Stützeinrichtung 56 angebracht ist. Ein von dem Schreibeinrichtungshalter 50 getragener Kontakt 58 steht in gleitendem Kontakt mit einem Schleifdraht 60, an welchem eine konstante Spannung angelegt ist; die Spannung an dem Kontakt 58 schafft ein Signal, welches die Stellung der Schreibeinrichtung anzeigt, welche, wie unten noch beschrieben wird, mit einer von dem Eingang an dem Aufzeichnungsgerät abhängigen Spannung verglichen wird.

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Wie in !"ig. 7 dargestellt, wird die Spannung an dem Kontakt 58 an einen aus Widerständen 62 und 64 gebildeten Spannungsteiler angelegt, dessen Widerstandswerte den Spannungsbereich des Aufzeichnungßgeräts bestimmen. Die Verbindung der Widerstände 62 und 64 ist über eine Wicklung 40 des Motors 10 mit einem -^ingangsanschluß 68 eines Dxfferentialverstärkers 66 verbunden. Die veränderliche Eingangs spannung E an dem Aufzeichnungsgerät wird an einen anderen Eingangsanschluß 70 des Verstärkers 66 über Eingangsanschlüsse 72 und 74 angelegt. Der Ausgang des Verstärkers 66 erregt die Antriebswicklung 32 des Motors 10. Die Wicklung 40 ist so mit der Schaltung verbunden, daß die durch die Drehung des Rotors 20 in der Wicklung 40 induzierte Spannung der Rückführspannung entgegengesetzt ist, welche von dem Schleifdraht 6o aus an den Verstärker 66 angelegt ist. Hierdurch wirkt dann der Verstärker 66 als Vergleicher, um die Eingangsspannung E und die Rückführspannung von dem Schleifdraht zu vergleichen; der Ausgang des Verstärkers schafft dann ein Fehlersignal, auf welches hin der Motor 10 angetrieben v/ird, bis der Kontakt 58 sich in eine Stellung bewegt hat, in welcher die Spannung an der Verbindung der Widerstände 62 und gleich der Eingangsspannung ist. Die in der Wicklung 40 induzierte Spannung vermindert die an den Verstärker 66 angelegte Rückführspannung um einen Wert, welcher von der Drehgeschwindigkeit des Rotors 20 und damit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Kontaktes 58 abhängt.

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Eine Dämpfung der Bewegung des Kontaktes 58 durch den hotor 10 ist dadurch geschaffen, daß sich der Kontakt zusammen mit der in dem Halter 50 gehaltenen Schreibeinrichtung ohne "Pendeln" in seine Gleichgewichtsstellung bewegt. Die Zeitkonstante bei Annäherung an die GIe ich ge-' wichtsstellung für irgendeine vorgegebene schrittweise' Änderung in der Eingangsspannung E hängt hauptsächlich von der Anzahl Windungen der Wicklung 40 und infolge (der Drehbev;egung) des Rotors 20 von dem die Wicklung 40 schneidenden, magnetischen bzw. .Induktionsfluß ab. Eine entsprechende Zeitkonstante für ein bestimmtes Aufzeichnungsgerät kann somit' durch Auswählen einer entsprechenden Anzahl Windungen für die Wicklung 40 bestimmt werden. Die Verstärkung des Verstärkers 66 braucht daher nicht-hoch zu sein, um eine Betriebsunstabilitat in der Kückführschleife zu verursachen, welche den Verstärker 66, den Motor 10 und das Schleifdraht-Fotentiometer 58,60 aufweist. Der Verstärker kann mit einer Verstärkungsregelung versehen sein, damit der Verstärkungsfaktor auf einen entsprechenden Wert eingestellt werden kann.

In Figur 8 sind zwei Alternativstellen angegeben, an welchen die Wicklung 40 angeschaltet sein kann. Wie durch das Bezugszeichen 40' angezeigt ist, kann die Wicklung 40 zwischen den Anschluß 72 und den Eingangsanschluß. 70 des Verstärkers 66 geschaltet werden, so daß die in der Wicklung 40 induzierte Spannung der Eingangsspannung E entgegen-

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gesetzt ist. In der anderen Alternative, v/elche mit dem Bezugszeichen 40"bezeichnet ist, ist die V/icklung 40 in Reihe mit dem aus den Widerständen 62 und 64 gebildeten Spannungsteiler geschaltet, so daß die in der Wicklung induzierte Spannung die an der Verbindung der Widerstünde 62 und 64 anliegende, positive· Spannung erhöht und dadurch die an dem Verstärker 66 angelegte Differenzspannung vermindert.

In Verbindung mit der in den Figuren 5 und 6 dargestellten mechanischen Anordnung ändert sich die lineare Verschiebung einer von dem Halter 50 gehaltenen Schreibeinrichtung etwa sinusförmig mit der Winkelverschiebung der Welle 22. Die lineare Geschwindigkeit der Schreibeinrichtung hängt infolgedessen sowohl von der Winkelgeschwindigkeit als auch der Winkelstellung der Welle 22 und damit des Rotors 20 ab. Mit Hilfe des Rotors, welcher anfangs in einer entsprechenden Ausrichtung bzw. Orientierung bezüglich der Gelenkverbindung angebracht ist, kann die Ausgangsspannung an der Wicklung 40 des Motors etwa linear in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Schreibeinrichtung gemacht werden, obwohl die in der Wicklung 40 induzierte Spannung von der Winkelstellung des Rotors 20 abhängt. Auf diese Weise schafft diese Anordnung daher eine etwa lineare Dämpfung der Bewegung der Schreibeinrichtung. Die beschriebene Gelenkverbindung hat also die Wirkung, daß sie

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die auf die Schreibenrichtung ausgeübte Kraft etwa konstant über deren Bewegungsbereich macht.

Statt eine ausgleichende mechanische Gelenkverbindung zu verwenden, könnte der Drehmomentmotor auch so abgeändert werden, daii er eine Rückführspannung abgibt, welche annähernd linear mit der Rotordrehzahl über dem geforderten Drehzahlbereich des Rotors geändert wird. Dies könnte beispielsweise in dem beschriebenen Motor durch V/i ekeln der zwei Windungsteile 4-ü erreicht werden, .von denen einer jeweils in den zwei äußersten Nuten 46 des Stators anstatt in den innersten Nuten 26' aufgebracht wird.

Selbstverständlich können auch noch andere Abwandlungen und Modifikationen an der beschriebenen Einrichtung vorgenommen werden, und der Drehmomentmotor kann auch bei anderen Einrichtungen als dem beschriebenen Aufzeichnungsgerät mit einer Schreibeinrichtung verwendet v/erden.

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Claims (1)

1. — 1? —

   Patentansprüche

   1. Elektromotor, insbesondere Drehmomentmotor, gekennzeichnet durch einen in einem Stator (14) drehbar gehaltertcn Dauermagnet-Rotor (20) durch eine erste auf dem Stator (14) aufgebrachte Wicklung (3?-), Vielehe zur Erregung der Wicklung (32) an eine elektrische Quelle anschaltbar ist, um dadurch ein Magnetfeld zu erzeugen, welches mit dem hagnetfeld des Rotors (20) in Wechselwirkung steht, um ein Drehmoment zu erzeugen, welches eine relative Drehung zwischen dem Rotor (20) und dem Stator (14) bewirkt, und durch eine zweite Wicklung (40), welche so auf dem Stator (14) angeordnet ist, daß eine Drehung des Magnetfeldes des Rotors (20) relativ zu dem Stator (14) eine Spannung in der zweiten Wicklung (40) induziert, deren Größe von der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen dem Rotor (20) und dem Stator (14) abhängt.

   2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (32) und die zweite Wicklung (40) koaxial auf dem Stator (14) aufgebracht sind.

   3. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η ze i c hn e t, daß die erste (32) und die zweite Wicklung (40) jeweils in einer Anzahl in dem Stator (14) ausgebildeter

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   Nuten (26) untergebracht sind, wobei jede Wicklung in den Nuten (26) untergebrachte Teile aufweist, welche in Ebenen parallel zu einer die Drehachse des Rotors (20) enthaltenden Ebene liegen und symmetrisch zu dieser Ebene angeordnet sind.

   4.Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzei chn e t, daß die zweite Wicklung (40) in denselben Nuten (26') wie zumindest einige Teile der ersten Wicklung (32) untergebracht ist.

   5.Einrichtung zur Einstellung bzw. Positionierung eines bewegbaren Elements in Abhängigkeit von der Größe einer veränderlichen Eingangsspannung, insbesondere unter Verwendung eines Elektromotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (10) an das bewegbare Element angekuppelt ist, um es bei dessen Erregung zu bewegen, daß eine Eückfuhreinrichtung (58,60) mit dem bewegbaren Element verbunden ist und ein Rückfuhrspannungssignal schafft, dessen Größe von der Stellung des bewegbaren Teils abhängt, und daß eine Steuereinrichtung mit einem Vergleicher (66) vorgesehen ist, um das Eingangs- und Rückführsignal aufzunehmen und die Erregung des Motors (10) in Abhängigkeit von der Größendifferenz zwischen den Eingangs- und Rückführsignalen zu steuern, wobei der Elektromotor (10) erste (20) und zweite (14), relativ zueinander drehbare Teile aufweist, von denen der erste (20) ein konstantes, Magnetfeld erzeugen

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   kann, und der zweite eine erste Wicklung (32) aufweist, welche, um sie zu erregen, an eine elektrische Quelle (E) anschaltbar ist, um dadurch ein Magnetfeld zu erzeugen, welches mit dem Magnetfeld des ersten Teils (20) in Wechselwirkung steht, um dadurch ein Drehmoment zu erzeugen, welches eine relative Drehung zwischen den Teilen (14,20) hervorruft, und wobei auf dem zweiten Teil (14) eine.zweite Wicklung (40) so angeordnet ist, daß eine relative Drehung zwischen dem zweiten Teil (14) und dem Magnetfeld des ersten Teils (20) eine Spannung in der zweiten Wicklung (40) induziert, deren Größe von der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen den ersten und zweiten Teilen (14,20) abhängt, wobei die zweite Wicklung (40) so mit der Steuereinrichtung verbunden ist, daß die Erregung des Motors (20) in Abhängigkeit von der Größe der in der zweiten Wicklung (40) induzierten Spannung vermindert wird.

   6.Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeich^- n e t, daß der Motor (10) ein Drehmomentmotor ist, daß der erste drehbare Teil ein Dauermagnet-Rotor (20) ist, welcher drehbar in einem Stator (14) gehaltert ist, welcher den zweiten Teil des Motors (10) bildet.

   7.Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wicklungen (32,40) koaxial auf dem Stator (14) aufgebracht sind.

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   δ. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführeinrichtung ein Schleiiäräbfcpotentiometer (60) aufweist, dessen Kontakt (58) zusammen mit dem bewegbaren Teil verschiebbar ist.

   9.Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeic hn e t, daß die. zweite Wicklung (40) des Motors (10) in Reihe mit dem lOtentLometerkontakt (58) und dem Vergleicher (66) in der Weise geschaltet ist, daß die in der zweiten Wicklung (40) induzierte Spannung entgegengesetzt der durch das Potentiometer (60) an dem Vergleicher (66) angelegten Spannung ist.

   10.Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (40') des Motors in Reihe mit dem Eingangsspannungssignal und mit dem Vergleicher (66) in der Weise geschaltet ist, daß die in der zweiten Wicklung (40) induzierte Spannung der Eingangsspannung entgegengesetzt ist.

   11.Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückführ-Spannungssignal an einen Spannungsteiler (62,64) angelegt ist, dessen Ausgang dem Vergleichor (66) zugeführt ist, und daß die zweite Wicklung (4O¹') des Iiotors (10) mit einem Arm des Spannungsteilers (62,64) in der Weise verbunden ist, daß die in der zweiten Wicklung (40) induzierte Spannung die Spannungsdifferenz

   zwischen der Eingangsspannung und dem Ausgang des Spannungs-509810/0342 - 16 -

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   toilers (62,64) vermindert.

   12.Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dydurefr gekennzeichnet, daß der Vergleichor ein Dii'forentifilverstä'rker (66) ist, dessen Ausgang so .ungeordnet ist, daß er die Erregung der ersten L'icklung (ί>^:) des Rotors (20) steuert.

   1p.Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das bev/egbare Element der Schreibeinrichtungshalter eines Aufzeichnungsgerätes ist.

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