DE2517974B1 - Schrittmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor, bestehend aus einem Statorgehäuse, in dem Elektromagnete mit kegelig abgeplatteten Polschuhen ringförmig angeordnet sind, und einem aus einer flexiblen Membran bestehenden Rotor, an dessen Umfang eine magnetisch leitende Ringscheibe angeordnet ist und der auf eine axial im Statorgehäuse angeordnete Abtriebswelle befestigt ist, wobei in dem Statorgehäuse eine ringförmige erste Lauffläche auf der den Elektromagneten abgewandten Seite derart ausgebildet ist, daß sich die am Umfang der flexiblen Membran befindliche Ringscheibe im Bereich der jeweils erregten Elektromagnete an die erste Lauffläche anlegt.

Ein derartiger Schrittmotor ist aus der DT-OS 63 078 bekannt. Darin ist ein Schrittmotor beschrieben, der aus einem ring- bzw. topfartig ausgebildeten Statorgehäuse mit darin ringförmig angeordneten Elektromagneten und zugehörigen Polschuhen besteht. Über den Elektromagneten ist auf einer in dem Statorgehäuse axial angeordneten Lagerbockwelle ein drehbar gelagerter und durch eine Kugelgelenkverbindung damit auslenkbar verbundener Rotor in Form einer magnetisch leitenden Ringscheibe angeordnet. An seiner Umfangswand und nahe der Lagerbockwelle trägt das Statorgehäuse bzw. die Lagerbockwelle einen bzw. zwei erste Zahnkränze und der darüber angeordnete Rotor bzw. die Ringscheibe dazu korrespondierende zweite Zahnkränze. Dabei unterscheiden sich die Zahnkränze der miteinander korrespondierenden Zahnkränze Z zu Z ± 1. Statorgehäuse und Rotor werden von einer Haube bzw. einem Deckel abgeschlossen. Auch ist aus der GB-PS 4 11 282 ein Schrittmotor bekannt, bei dem die Differenz der Zähnezahlen der miteinander korrespondierenden Zahnkränze größer als Z ± 1 ist. Schließlich ist ein von der Fa. Kleinwächter, Lörrach, entwickelter elektrischer Schrittmotor für extrem kleine Winkelschritte bekannt, der aus einer Anzahl in einem Statorgehäuse ringförmig angeordneter Elektromagnete und einer darüber drehbar gelagerten flexiblen Membran mit am Umfang angeordneten Eisenplättchen besteht. Durch Ein- und Ausschalten der Elektromagnete bzw. Spulen in entsprechender Reihenfolge entsteht eine umlaufende elektromagnetische Welle, wobei der magnetische Fluß vom Spulenstrom, der Länge der Luftspalte und dem dazu verwendeten Material abhängig ist. Während des Betriebes sind stets sechs Spulen bzw. Elektromagnete gleichzeitig erregt, davon jeweils drei benachbarte und die zu diesen diazo metral angeordneten. Der auf die am Umfang der Membran angeordneten Eisenplättchen wirkende magnetische Fluß bzw. die daraus resultierenden Kräfte bewirken, daß die flexible Membran auf den Flächen der konisch abgeplatteten Polschuhe der Elektromagnete aufliegt. Durch schrittweises Erregen der nächst benachbarten Spulen und gleichzeitigem Abschalten der letzt erregten in der Reihe wird die Membran in Umdrehung versetzt, wobei sie eine Art Rollbewegung über die Polschuhflächen ausführt. Der Abgriff des Drehmomentes erfolgt an der Drehachse der Membran.

Allen derartigen bisher bekannten Schrittmotoren haftet der gemeinsame Nachteil an, daß sie im stromlosen bzw. unerregten Zustand kein Haltemoment aufweisen und nur mit relativ niederen Frequenzen arbeiten. Außerdem erreichen diese Schrittmotoren erst bei relativ großen Durchmessern eine kleine Winkel- bzw. Schrittauflösung. Außerdem ist die Anordnung des kugelgelenkgestützen Rotors aufwendiger und, bedingt durch die zusätzliche Verzahnung, insbesondere bei kleinen Winkelschritten, zu ungenau.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schrittmotor zu schaffen, der im stromlosen bzw. unerregten Zustand ein Haltemoment besitzt, das spieifrei auf die Abtriebswelle übertragen wird und zugleich bei kleinem Durchmesser eine Winkel- bzw. Schrittauflösung möglich ist. Zudem sollte der Schrittmotor mit einer Frequenz bis etwa 600 Hz laufen können, um ein rasches Positionieren zu ermöglichen und ein spielfreies Umsteuern zu gewährleisten. Ferner sollte durch eine einfache Variante des Schrittmotors ermöglicht werden, bei Verlust der Feinschrittauflösung eine reproduzierbare bzw. schlupffreie Winkel- bzw. Schrittauflösung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Schrittmotor der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Laufring mit einer der ersten Lauffläche äquivalenten zweiten Lauffläche, die gegenüber der ersten Lauffläche mit dieser korrespondierend angeordnet ist, durch seine Lage die Membran um einen auf die Schrittgröße und das Haltemoment des Schrittmotors abgestimmten Betrag ähnlich einem Kegel verformt und daß im Betrieb stets zwei diametral gegenüberliegende Elektromagnete erregt sind.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Schrittmotor in einer Ausbildungsform durch das Aneinanderdrücken der beiden peripheren Laufflächen von Laufring und Membran

letztere kegelförmig in Richtung der Elektromagnete verformt bzw. gezogen wird. Das durch die dabei entstehende Vorspannung der Membran daraus resultierende Reibmoment zwischen den beiden Laufflächen bzw. Eingriffsflächen ergibt das Haltemoment bei nicht erregten Elektromagneten bzw. im Ruhezustand des Schrittmotors. Bei Erregung der Elektromagnete werden jeweils die diesen gegenüberstehenden Teilflächen der Membran angezogen. Dadurch steht die Membran nur noch in einer um 90° zur Resultierenden der von ihren Spulen ausgehenden magnetischen Kräfte versetzten Lage linienförmig mit dem Laufrand bzw. der Lauffläche des Laufringes in Kontakt. Wird das Drehfeld zyklisch weitergeschaltet, so läuft diese doppelseitige Kontaktstelle in gleicher Weise um. Durch die ke- "5 gelige Vorspannung der Membran einerseits und dem diametralen Kontakt der beiden Gleitflächen bei erregten Spulen bzw. Elektromagneten andererseits ergibt sich für das Abrollen der Membran ein von der Lauffläche verschiedener Durchmesser, woraus der Schritt entsteht. Bei Ausschalten der Spulen klappt bzw. legt sich die vorgespannte Membran bzw. die gesamte Fläche ihrer Peripherie an die Laufflächen des Laufringes relativ fest an. Dadurch wird der Umlauf der Membran sofort gesperrt. Durch das augenblicklich wirkende ²S Haltemoment wird bei zyklischer Schaltung der Spulen eine Winkelschrittauflösung von etwa 0,01° und kleiner erzielt. Hinzu kommt, daß im Ruhezustand der Membran, d. h. ohne Erregung der Spulen, ein relativ hohes Haltemoment besteht. Außerdem verleiht der einfache, raumsparende, symmetrische Aufbau und die geringe Zahl an Bauelementen dem Schrittmotor eine hohe Zuverlässigkeit bezüglich Genauigkeit, Temperaturstabilität und Vibrationsfestigkeit.

Die weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß am Umfang der Membran auf der den Elektromagneten abgewandten Seite und auf der von dem Laufring gebildeten zweiten Lauffläche auf der den Elektromagneten zugewandten Seite miteinander korrespondierende Zahnkränze angeordnet sind, deren Zahnzahlen um mindestens eine Anzahl von ± 2 voneinander abweichen.

In dieser anderen Ausbildungsform des Schrittmotors ist an der Peripherie der Membran ein Zahnkranz angeordnet, der mit einem gegenüber an der Peripherie des Laufringes angeordneten Zahnkranz korrespondiert. Beide Zahnkränze sind in ihren Zähnezahlen voneinander unterschiedlich, wovon der eine die Zähnezahl Z, der andere, korrespondierende, mindestens Z ± 2 hat. Dabei arbeitet der Schrittmotor in dieser Ausfüh- ^° rung prinzipiell gleich dem der erst beschriebenen. Auch hier wird durch die kegelige Verformung, die Vorspannung der Membran und die Verzahnung ein relativ hohes Haltemoment im Ruhezustand der Membran ohne zusätzliche Permanentmagnete erreicht. Außerdem ist bei dieser Ausführung die Reproduzierbarkeit gewährleistet.

Die Verkabelung und Ansteuerung ist derart, daß immer zwei diametrale Spulen bzw. Elektromagnete zu einer Phase miteinander verbunden sind und nach dem darüberstehenden Zyklus angesteuert werden. Das heißt, daß zwei benachbarte und sich gegenüberstehende Spulen bzw. Elektromagnete gleichzeitig erregt sind.

Beide Ausführungsformen des Schrittmotors haben ein relativ niedriges Drehmoment, wobei die Grenzfrequenz bei etwa 600 Hz als Schrittfrequenz liegt (im Vergleich dazu haben herkömmliche Schrittmotoren dieser Art, z. B. der Kleinwächter Schrittmotor, etwa 50 Hz). Die Schritte werden ohne jegliches Überschwingen bis zu höchsten Frequenzen ausgeführt. Die direkte Drehrichtungsumkehr ist bis etwa 400 Hz schrittgenau, wobei der Start-Stop-Betrieb bis zu dieser Frequenz ebenso sicher beherrscht wird. Auch ist bei diesen beiden Ausführungsarten von Schrittmotoren eine vakuumfeste Ausführung relativ leicht herzustellen.

Folgend sind Ausführungsbeispiele beschrieben und durch Skizzen erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Schrittmotor im Schnitt in seitlicher Ansicht mit kegelig verformter Membran und gegengedrücktem Laufring ohne Verzahnung,

Fig.2 zeigt einen Schrittmotor gemäß Fig. 1, jedoch mit Verzahnung,

F i g. 3 zeigt den Schrittmotor bzw. dessen Statorgehäuse gemäß F i g. 1 und 2 in der Ansicht von oben ohne Deckel und Membran.

Das in F i g. 1 im Schnitt in seitlicher Ansicht dargestellte Ausführungsbeispiel eines unverzahnten Schrittmotors 1 ist zusammengesetzt aus einem zylindrischen, topfartig ausgebildeten und aus magnetisch leitendem Material bestehenden Statorgehäuse 2, das auf seiner Umfangswand 3 an deren Stirnseite eine Fläche 4 trägt. Innerhalb der Umfangswand 3 sind peripher Spulen bzw. Elektromagnete 5 ringförmig angeordnet. In der Achse 6 des Statorgehäuses 2 und mit diesem fest verbunden ist ein Lagerbock 7 angeordnet, der zugleich Träger einer darin drehbar gelagerten Abtriebswelle 8 ist. Über dem Lagerbock 7 ist eine mit der Abtriebswelle 8 bzw. einem daran angeordneten Bund 8' fest verbundene flexible, magnetisch leitende Membran 9 angeordnet. Die Umfangswand 3 ist von einer zweiten Umfangswand 3' umgeben, die auf der der Stirnseite der Umfangswand 3 zugekehrten Seite zu einem Laufring 10 ausgebildet ist. Diese Ausbildung ist so getroffen, daß der Laufring flanschartig über die Fläche 4 der Umfangswand 3 greift und mit dieser eine Ringnut 11 bildet, die unten von der Fläche 4 und oben von der als Lauffläche 4' ausgebildeten Stirnfläche des Laufringes 10 begrenzt ist. Die Ringnut 11 nimmt die Peripherie der Membran 9 auf, wobei sie durch das Anliegen bzw. Andrücken an die Lauffläche 4' des Lauf ringes 10 vorgespannt und kegelig verformt wird. Das Ausmaß der Vorspannung und Verformung 5 richtet sich dabei nach der geforderten Schrittgröße und dem zugehörigen Haltemoment und kann durch entsprechende Auswahl der Bundhöhe h des auf der Abtriebswelle 8 angeordneten Bundes 8' variiert werden (bei vorgegebenem Durchmesser des Schrittmotors). Der zwischen der Fläche 4 und der darüberliegenden Peripheriefläche der Membran 9 verbleibende Spalt S\ ist das bei Erregung der Spulen bzw. Elektromagnete 5 erforderliche Spiel für das diametrale linienförmige und schrittweise Versetzen der von ihnen zyklisch angezogenen und durch die dabei entstehende umlaufende magnetische Welle in Umdrehung versetzte Membran 9. Dabei steht die Membran nur noch in einer um 90° zur Resultierenden der von den Spulen bzw. Elektromagneten 5 ausgehenden magnetischen Kräfte versetzten Lage linienförmig diametral mit der Lauffläche 4' in Kontakt. Mit dem zyklischen Weiterschalten des Drehfeldes läuft auch diese doppelseitige Kontaktstelle mit um. Der Schritt entsteht durch die kegelige Verformung bzw. der Vorspannung der Membran 9, die während des Abrollens einen von der Lauffläche 4' verschiedenen Durchmesser hat. Werden die Elektromagnete 5 abgeschaltet bzw. sind deren Spulen nicht erregt, so legt sich die

vorgespannte Membran 9 mit ihrer Peripheriefläche relativ fest an die Lauffläche 4' des Laufringes 10 und bewirkt durch das zwischen der Lauffläche 4' herrschende Reibmoment bzw. das daraus resultierende Haltemoment ein unmittelbares Stoppen bzw. eine sofortige Sperrung der schrittweisen Umdrehung der Membran 9. Erwähnt sei, daß weder im Ruhezustand noch während der schrittweisen Umdrehung der Membran 9 von ihr die Pole 12 der Elektromagnete 5 berührt werden. Das Statorgehäuse 2 ist zusammen mit der Membran 9 durch einen von der Abtriebswelle 8 und ihrem Bund 8' durchstoßenen Deckel 13 gegen äußere Einflüsse abgedeckt.

In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines verzahnten Schrittmotors 1 gemäß F i g. 1 in seitlicher Ansicht dargestellt. Der Aufbau und damit die Beschreibung ist prinzipiell gleich dem bzw. der von F i g. 1. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß die der Lauffläche 4' des Laufringes 10 zugekehrte Peripheriefläche der Membran 9 Träger eines Zahnkranzes 14 ist, der mit einem auf der Lauffläche 4' angeordneten Zahnkranz 15 korrespondiert. Beide Zahnkränze 14, 15 sind durch ihre Zähnezahl Z von einander unterschiedlich, wobei entweder der untere oder der obere Zahnkranz 14, 15 die Zähnezahl Z und der jeweils korrespondierende Zahnkranz mindestens die Zähnezahl Z ± 2 hat. Auch in dieser Ausführungsform wird durch die kegelige Verformung und die damit erzielte Vorspannung der Membran 9 ein relativ hohes Haltemoment während ihres Ruhezustandes erreicht, ohne daß zusätzliche Permanentmagnete dazu vorgesehen werden müssen.

Aus F i g. 3 ist der in F i g. 1 und 2 in seitlicher Ansicht dargestellte Schrittmotor 1 in der Ansicht von oben ohne Deckel 13 und Membran 9 (F i g. 1 und 2) dargestellt. Darin ist 3 die Umfangswand des Statorge-

häuses 2,3' die zweite, mit dem Laufring 10 (F i g. 1 und 2) verbundene Umfangswand, 5 die Elektromagnete bzw. Spulen, 12 deren Pole, 7 der Lagerbock und 8 die Abtriebswelle. Die Verkabelung der Spulen 5 ist so getroffen, daß jeweils zwei um 180° sich gegenüber angeordnete Spulen bzw. Elektromagnete 5 miteinander elektrisch verbunden sind (s. a-a, b-b, c-c, d-d).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schrittmotor, bestehend aus einem Statorgehäuse, in dem Elektromagnete mit kegelig abgeplatteten Polschuhen ringförmig angeordnet sind, und einem aus einer flexiblen Membran bestehenden Rotor, an dessen Umfang eine magnetisch leitende Ringscheibe angeordnet ist und der auf eine axial im Statorgehäuse angeordnete Abtriebswelle befestigt ist, wobei in dem Statorgehäuse eine ringförmige erste Lauffläche auf der den Elektromagneten abgewandten Seite derart ausgebildet ist, daß sich die am Umfang der flexiblen Membran befindliche Ringscheibe im Bereich der jeweils erregten Elektromagnete an die erste Lauffläche anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laufring (10) mit einer der ersten Lauffläche (4) äquivalenten zweiten Lauffläche (4'), die gegenüber der ersten Lauffläche (4) mit dieser korrespondierend angeordnet ist, durch seine Lage die Membran (9) um einen auf die Schrittgröße und das Haltemoment des Schrittmotors abgestimmten Betrag ähnlich einem Kegel verformt und daß im Betrieb stets zwei diametral gegenüberliegende Elektromagnete (5) erregt sind.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Membran (9) auf der den Elektromagneten (5) abgewandten Seite und auf der von dem Laufring (2) gebildeten zweiten Lauffläche (4') auf der den Elektromagneten (5) zugewandten Seite miteinander korrespondierende Zahnkränze (14, 15) angeordnet sind, deren Zahnzahlen (Z) um mindestens eine Anzahl von ± 2 voneinander abweichen.