DE2621575A1

DE2621575A1 - Rotations-schrittschaltmotor

Info

Publication number: DE2621575A1
Application number: DE19762621575
Authority: DE
Inventors: Victor Nelson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-15
Filing date: 1976-05-14
Publication date: 1976-12-02
Also published as: DE2621575C2; JPS616629B2; CA1048097A; JPS51149511A; GB1527808A; US3970980A

Description

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VICTOR NELSON
Deer Park, N.Y., V.St.A.

Rotations-Schrittschaltmotor

Die Erfindung betrifft Schrittschaltmotoren und insbesondere einen mit direkter Bewegungsübertragung arbeitenden ßotations-Schrittschaltmotor, welcher einen stationären, mit Feldpolen ausgestatteten Anker aufweist, der von einem Rotor mit einer Anzahl Dauermagnetpole umgeben ist.

Eine Ausfülirungsform eines erfindungsgemässen Rotations-Schrittschaltmotors enthält einen stationären Anker mit einer Anzahl von Magnetarmen, welche stationäre Pole bilden, die im Winkelabstand voneinander angeordnet sind, sowie einen zylindrischen Rotor, welcher einen ersten und einen zv/eiten zylindrisch gekrümmten Dauermagnet-Jeldpol aufweist, wobei die Feldpole entgegengesetzte Polarität haben, umfangsseitig im Abstand voneinander liegen und den Anker umgeben« Ein mechanischer Anschlag zur Begrenzung der Winkelbewegung des Rotors enthält ein erstes und ein zweites Ansohlagelement, die gegenüber dem

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Eotor festliegen und im Winkelabstand voneinander angeordnet sind, wobei vom Eotor eine Armanordnung abstellt und in Anlage an die Anschlagelemente kommen kann, um dadurch die Winkelbewegung des Rotors anzuhalten. Mit dem Anker ist eine Drehmomenterzeugervorrichtung zur Ausübung eines Drehmoments auf den Eotor vorgesehen, durch welche der Rotor in Umdrehung versetzt wird, wobei die Ausübung des Drehmoments eine Rotorbewegung in solcher Weise verursacht, dass die Armanordnung vom ersten Anschlag über einen Winkelbereich derart umläuft, dass der erste Eotorfeldpol mit einem der Magnetanne des Ankers verriegelt bleibt, während bei Wegfall des Drehmoments am Rotor dieser gegen den ersten Anschlag verdreht wird, bis die Armanordnung in Anlage mit dem ersten Anschlagelement kommt. Erfolgt die Ausübung des Drehmoments auf den Rotor derart, dass dieser durch einen Winkelbereich gedreht wird, wobei der erste Rotorfeldpol mit dem zweiten Ankerpol verriegelt wird, so wird, wenn das Drehmoment an der Drehmomenterzeugervorrichtung abgeschaltet wird, die Armanordnung in Anlage mit dem Anschlagelement gelangen.

Die Erfindung wird anschliessend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 bis 5 schematische Ansichten eines feststehenden Ankers und umlaufender Feldpole, wobei die Feldpole in fünf bedeutsamen Stellungen dargestellt sind,

Fig. 6, 17 und 25 Drehmomentdiagramme zur Erläuterung der verschiedenen Betriebsarten gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig. 7A und 7B Ansichten eines zweipoligen Ankers, welcher mit Erregerwicklungen versehen ist, wobei die umlaufenden Feldpole in zwei extremen Stellungen dargestellt sind, die sich für einen ausfailsicheren Betrieb eignen,

Fig. 8, 12, 16 und 21 Schaltbilder von Erregerkreisen jeweils für die Anker der Fig.-7A, 9, 13 und 18,

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Fig. 9» 10 und 11 Ansichten eines zweipoligen,mit Erregerwicklungen ausgestatteten Ankers, wobei die drehbaren Feldpole in drei bedeutsamen Stellungen dargestellt sind, die sich für die Verriegelungsphase eignen,

Fig. 13» 14- und 15 Ansichten eines zweipoligen Ankers, welcher mit Erregerwicklungen ausgestattet ist, wobei die umlaufenden Feldpole in drei bedeutsamen Stellungen dargestellt sind, die sich für einen ausfallsicheren Betrieb eignen,

Fig. 18, 19 und 20 Ansichten eines dreipoligen Ankers, welcher mit Erregerwicklungen ausgestattet ist, wobei die drehbaren Feldpole in drei bedeutsamen Stellungen dargestellt sind, die sich für einen ausfallsicheren Betrieb eignen,

Fig. 22, 23 und 24· Darstellungen eines zweipoligen Ankers, wel cher mit Erregerwicklungen ausgestattet ist, wobei die drehbaren Feldpole in drei Stellungen dargestellt sind, die sich für die Verriegelungsphase eignen,

Fig. 26A bis 26E schematische Darstellungen fünf verschiedener Ankerausbildüngen,

Fig. 27A, 27B und 27c eine bevorzugte Stelle der Schalter gemäss Fig. 12 an dem Schrittschaltmotor 12B nach Fig. 9,

Fig. 28 einen Querschnitt des Schrittschaltmotors 1OB längs der Linie 28-28 der Fig. 2?B und

Fig. 29 einen Erregerkreis für den in Fig. 28 dargestellten Schrittschaltmotor 1OB.

Es wird nunmehr auf die Zeichnungen Bezug genommen, in welchen durchgehend einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Fig. 1 zeigt einen Rotations-Schrittschal tmotor 10 mit einem stationären Anker 11, welcher ein Paar

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radiale Arme aufweist, die in einem Winkelabstand von 120° angeordnete Magnetpolse 12, 14- bilden und die jeweils einen Polschuh 18 tragen, der sich umfangsseitig des zugeordneten Magnetpols erstreckt, wobei die beiden Magnetpole zwischen den entgegengesetzten Enden der Polschuhe 18 liegen. Der Anker 11 wird von einem Rotor 19 umgeben, welcher ein zylindrisches Gehäuse 21 aufweist, das ein Paar zylindrisch gekrümmter Feldpole 20 trägt, die jeweils durch Dauermagnete N (Nordpol) und S (Südpol) gebildet werden. Das Gehäuse 21 kann mit einer axialen, nicht dargestellten Leistungsabtriebswelle versehen sein. Das Gehäuse 21 und die Feldpole 20, 23 sind um eine Achse drehbar, die koaxial zu einer Achse 26 des stationären Ankers 11 verläuft. Die Polschuhe 18 haben gekrümmte Aussenflachen 27 ₅ die neben den Feldpolen 20, 22 liegen. Das Gehäuse 21 und die Feldpole 20, 22 sind in der 0°-Position stabil, da die Feldpole 20, 22 gegenüber den Ankerpolen 12, 14· symmetrisch liegen und zwischen den Feldpolen und den Ankerpolen ein Pfad minimalen magnetischen Widerstands vorhanden ist. Fig. 6 zeigt einen Stabilitätszustand in der 0°- Position mit einem Bückstelldrehmoment ITuIl.

Fig. 2 zeigt die Feldpole 20, 22 gegenüber der 0°-Position nach Fig. 1 um 45 im Uhrzeigersinn verdreht. Dies ist eine instabile Position, jedoch werden die Pole 20, 22 in dieser verriegelten Stellung durch einen radialen Arm 28 gehalten, welcher an einem stationären Anschlagelement 30 anliegt. Der Arm 28 ist am Gehäuse 21 befestigt und läuft mit diesem um.

Bei dieser Stellung der Feldpole 20, 22 ist gemäss Fig. 6 ein Rückstellmoment vorhandenä, welches im Gegenzeigersinn wirksam ist.

Fig. 3 zeigt die Feldpole 20, 22 gegenüber der 0°-Position nach Fig. 1 um 90° im Uhrzeigersinn verdreht. Dies ist eine instabile (oder bedingt stabile) Position, in welcher ein maximales Rückstell moment im Uhrzeigersinn oder im Gegenzeigersinn als Folge einer geringfügigen Abweichung von der in Fig. 6 dargestell-

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ten 90°-Position ausgeübt wird.

Fig. 4 zeigt die Feldpole 20, 22 in einer gegenüber der O⁰-Position der Fig. 1 um 155° im Uhrzeigersinn verdrehten Stellung. Dies ist eine instabile Position, in welcher ein Drehmoment im Uhrzeigersinn vorhanden ist, wie dies in Fig. 6 bei der 135°-?osition dargestellt ist. Die Feldpole 20, 22 werden in dieser Position durch ein stationäres Anschlagelement 32 verriegelt, welches abhängig von einem im Uhrzeigersinn wirkenden Drehmoment von der Armanordnung erfasst wird.

Fig. 5 zeigt die Feldpole 20, 22 in einer gegenüber der Stellung nach Fig. 1 um 180° im Uhrzeigersinn verdrehten Position. Dies ist eine stabile Position, da die beweglichen Pole 20, 22 in einer Stellung minimalen magnetischen Widerstands wie in Fig. fluchtend angeordnet sind. Fig. 6 zeigt, dass bei der 180°- Position der Feldpole 20, 22 ein Rückstel lmom ent Hull vorhanden ist.

Aus der Betrachtung der Fig. 1 bis 5 ist ersichtlich, dass, falls an den Polen 12, 14 des Ankers 11 Wicklungen vorgesehen sind, und mit Strom beschickt werden, zwischen den Feldern der Dauermagnet-Feldpole 20, 22 und dem durch den Stromfluss in den Wiclungen erzeugten Magnetfluss eine Reaktion auftritt. Abhängig von der Richtung und Grosse der Ströme werden die Ankerpole 12, 14 die Feldpole 20, 22 anziehen oder abstossen. Befinden sich die Feldpole 20, 22 in der in den Fig. 1 und 5 gezeigten Stellung, so wird durch die Ankerströme im wesentlichen kein Drehmoment erzeugt.. Ist der Anker in der in Fig. 3 gezeigten Stellung, so wird ein Drehmoment geliefert, dessen Richtung von der Stromrichtung abhängt. Fliesst Strom in solcher Richtung, dass entweder der Ankerpol 12 oder 14 zum Nordpol wird, so läuft der Rotor 19 im Uhrzeigersinn oder im Gegenzeigersinn um, abhängig davon, ob der Ankerpol 12 oder 14 erregt wird. Da die erregten Ankerpole 12 oder 14 den benachbarten Rotornordpol 20 abstossen und von dem Rotorsüdpol 22 angezogen werden, so wird eine duale Kraft, nämlich eine Anzie-

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hungs- und Abstossungskraft, auf die Feldpole ausgeübt, wodurch ein starkes Drehmoment entsteht. Die Erregung des Ankerpols 12 allein treibt somit die Feldpole 20, 22 im Uhrzeigersinn an, während die Erregung des Ankerpols 14 allein die Feldpole 20, 22 im Gegenzeigersinn verdreht. Die Feldpole 20, 22 drehen sich dann in die in den Fig. 1 und 5 dargestellten stabilen Stellungen oder werden in die Verriegelungspositionen gemäss Fig. 2 und 4 verdreht, falls Anschlagelemente 30, 32 vorhanden sind.

Fig. 7A und 7B zeigen einen Schrittschaltmotor 1OA, welcher mit Ankerwicklungen 40, 42 versehen ist, die auf den Jeweiligen stationären Ankerpolen 12a, 14a angeordnet sind, die im Winkelabstand von 120° auseinanderliegen. Starre bzw. stationäre Anschiagelemente 30a, 32a sind im Winkelabstand von 90 voneinander angeordnet. Ein Arm 28a erstreckt sich in radialer Eichtung, um mit dem Anschlagelement 30a in seiner linken Stellung gemäss Fig. 7A in Anlage zu kommen, während er in seiner rechten Stellung gemäss Fig. 7B in Anlage mit dem Anschlagelement 32a steht. Die drehbaren Feldpole 20a, 22a erstrecken sich umfangsseitig asymmetrisch," wobei benachbarte Enden 20', 22' enger aneinander liegen als die Enden 20", 22", um die Flussdichte dort zu erhöhen, wo der Ankerpol 14a liegt. Der Schrittschaltmotor 1OA eignet sich für ausfallsicheren Betrieb zwischen der Ausgangsposition nach Fig. 7-A- und der 90 -Position gemäss Fig. 7B- Eine Spule 42 dient zum Antrieb des Rotors 19A und eine Wicklung 40 bildet eine einen hohen Widerstand aufweisende Haltespule zur Strombegrenzung,nachdem der Schaltschritt des Motors in der 90°-Position beendet ist.

Fig. 8 zeigt einen Schaltkreis für den Schrittschaltmotor 1OA, in welchem die Motorwicklung 42 in Reihe mit der Haltewicklung 40 und einer Spannungsquelle 44 liegt. Ein Schalter 48 liegt parallel zur Wicklung 40, um diese kurz zu schliessen, so dass nur die Antriebsspule 42 zur Drehung des Rotots wirksam wird.

Beim Betrieb des Schrittschaltmotors 1OA wird der Rotor 19a

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zunächst in seiner Ausgangslage gemäss Fig. 7-A- gehalten. Es fliesst kein Strom. Dies entspricht der 10 -Position gemäss Pig. 6. Vird der Motorwicklung 42 eine Gleichspannung zugeführt, so fliesst ein Strom, welcher am Pol 14a ein Magnetfeld erzeugt, wobei dieser Pol zum Südpol wird und den Dauermagnet-Südpol 22a abstösst und den Dauermagnet-Nordpol 20a anzieht, wodurch der Rotor 19A in die durch das Anschlagelement 32a bestimmte 90°-Position verdreht wird. Anschliessend wird durch öffnen des Schalters 48 die Haltewicklung 40 eingeschaltet, so dass der Pol 12a als elektromagnetisches Element wirkt, welches zusammen mit dem Pol 14a den Arm 28a gegen das Anschlagelement 32a hält. Beim Abschalten der Gleichspannung fällt der Erregerstrom auf Null, die Wicklungen 40 und 42 werden stromlos und der Rotor 19A kehrt selbsttätig in die Ausgangslage gemäss Pig. 7A zurück, in welcher der Arm 28a in Anlage am Anschlagelement 30a liegt. Diese Anordnung gewährleistet einen ausfallsicheren Betrieb, da der Rotor 19A immer in die Ausgangslage zurückkehrt, falls ein Ausfall des Antriebs und Haltestroms auftritt. Die Wicklungen 40 und 42 sind an getrennten Ankerpolen aufgebracht. Sie können gegebenenfalls auf dem gleichen Pol liegen, also entweder auf dem Ankerpol 12a oder dem Ankerpol 14a. Als alternative Ausführung können beide Wicklungen auf verschiedenen Ankerpolen angebracht sein. Der Schaltschritt kann durch Einstellung des Winkel ab stands der stationären Anschlagelement⁵; 30a, 32a eingestellt oder verändert werden. Dieser Schaltschritt sollte im allgemeinen nicht grosser als 90° sein, da gemäss Pig. 6 der ausfallsichere Betrieb in diesem Bereich liegt, in welchem ein Eigenrückstellmoment vorhanden ist.

Ist der Schaltschritt so' gewählt, dass er zu beiden Seiten der 90°-Position liegt, wie dies aus Pig. 3 hervorgeht, so handelt es sich um einen Schrittschaltmotor mit zwei Positionen, welcher in jeweils einer extremen Position (0° oder 180°) verriegelt ist, wenn der 'Motorstrom abgeschaltet wird; siehe Pig. 1 und 5. Die Pig. 9 bis 11 zeigen einen Schrittschaltmotore 1OB mit einem Paar Motarwicklungen 50 und 52, die auf den Ankerpolen

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12b und 14b angebracht sind. Dabei ist ein Paar Feldpole 20b und 22b des Rotors 19B vorhanden, die symmetrisch liegen. Ein Paar Anschlagelemente JOb und 32b begrenzt die Drehbewegung des Rotors 19B.

Pig. 12 zeigt den Motorkreis des Schrittschaltmotors 1OB. Ein Paar Motorwiek]äugen 50 und 52 sind an eine gemeinsame Leitung angeschlossen. Zwei Schalter 55 und 56 liegen jeweils in Reihe mit den MotorvrLeklungen 50 und 52 zwischen zwei Gleichstromquellen 571 53. Die Schalter 55 und 56 werden abwechselnd geschlossen. S er- Schalter 56 wird in der Ausgangsstellung des Rotors 19B gemäss rig. 9 geschlossen, während der Schalter 55 geöffnet ist. Der Schalter 55 wird geschlossen, wenn der Schalter 56 geöffn-st ist, um die Drehrichtung des Rotors 19B umzukehren. Wird sl:is Spannung an die Motorwicklung 52 angelegt, so wird am Ankerpoi 14b sin Südpol erssugt, welcher den Rotor 19B veranlasst, sich über die (bedingt stabile) Mittellage gemäss Fig. 10 in die 7erriegelungsposition gemäss Fig. 11 zu drehen. Ein Arm 28t liegt am Anschlagelement 32b an. Der Schalter 56 kenn geöffnet werden, wenn sich der Motor 19B in der Verriegelungsstellung gernäss Fig. 1 befindet. Wird der Schalter 55 geschlossen« wenn der Schalter 56 geöffnet ist, so wird der Ankerpol 12b zum Südpol und veranlasst den Rotor 19B, sich von der in Fig. 11 gezeigten Stellung in die in Fig. 9 gezeigte Stellung im O-egsnseigersinn zu drehen. Die Anschlagelemente 30b und 32b begrenzen die Drehung auf einen gewünschten Winkelbereich. In jeder der Extremstellungen nach Fig. 9 oder Fig. 11, wobei die Wicklungen 50 und 52 stromlos sind, ist der Rotor 19B gegen die starren Anschlagelemente 30b oder 32b verriegelt, weil der Rotor 19B eine Stellung minimalen magnetischen Widerstands einzunehmen sucht. Das magnetische Moment halte den Arm 28b des Rotors gegen das stationäre Anschlagelement.

Die Fig. 13» ¹^ ®Q-& ^5 zeigen einen Schrittschaltmotor 1OC, welcher am Punkt H eine maximale Flussdichte aufweist, da ein Paar gekrümmter Magnetpole 20c und 22e umfangsseitig asymme-

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trisch gegenüber dem Rotorgehäuse 21c liegen. Zwei stationäre Ankerpole 12c und 14c liegen im Abstand von 90° voneinander und sind jeweils mit einer Erregerwiclung 60, 62 versehen, die an den Polen 12c und 14c jeweils einen Nordpol bzw. einen Südpol liefert, wenn die Wicklungen 60, 62 jeweils erregt werden. Ist keine der Wicklungen 60, 62 erregt, so ist der Rotor 19C in der Mittelstellung gemäss KLg. 14 verriegelt. Der Punkt M, welcher einen minimalen magnetischen Widerstand aufweist, liegt dann symmetrisch zwischen den Ankerpolen 12c und 14c. Wird eine Gleichspannung der auf dem Pol 1 4c liegenden Wicklung 62 zugeführt, so fliesst ein Strom in der Wicklung 62 und erzeugt einen Südpol, welcher den Eotor 19C im Uhrzeigersinn in die Stellung gemäss Fig. 15 verdreht. Bei Stromfiuss in der Wicklung 62 bleibt der Rotor 19C in der rechten Position gemäss Fig. verriegelt. Ein Rotorarm 28c liegt dann am Anschlagelement 32c an. Bei Abschalten des Stroms kehrt der Rotor 19C als Folge des magnetischen Momentes selbsttätig in die Mittelposition nach Fig. 14 zurück. Wird eine Gleichspannung an die Wicklung 60 am Ankerpol 12c angelegt, so dreht sich der Rotor 19C in ähnlicher Weise im Gegenzeigersinn in die linke Stellung gemäss Fig. 13, da der Pol 12c zum Nordpol wird. Der Rotorarm 28c liegt dann gegen ein Anschlagelement 30c an. Bei Abschalten des Stroms kehrt der Rotor 19C selbsttätig in die Mittelstellung nach Fig. 14 zurück. Die Pfeile A und A¹ geben die Richtung der magnetischen Eigen-Rückstellmomente an.

Fig. 16 zeigt ein Grundschaltbild für den Schrittschaltmotor 1OG. Die Wicklungen 60 und 62 sind an eine gemeinsame Leitung 54-' angeschlossen. Zwei Gleichstromauellen 57' und 58' dienen zur Versorgung der einzelnen Wicklungen.

Fig. 17 gibt das Eigen-Rückstellmoment für den Schrittschaltmotor 1OG an. In der 0°-Position gemäss Fig. 14 ist das Rückstellmoment Null. Bei zunehmendem Drehwinkel bis zu etwa 80° nach rechts und nach links steigt das Rückstellmoment jeweils im Gegenzeigersinn (CCW) und im Uhrzeigersinn (CW) an.

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Der Anker kann statt einer zweipoligen Ausführung auch anders ausgeführt sein. Beispielsweise können drei Ankerpole vorgesehen werden, um drei gegenüber der Mittelstellung betriebssichere Positionen gemäss den Fig. 18, 19 und 20 zu schaffen. Dabei ist der Schrittschaltmotor 10B mit drei Polen 12d, 14-d und 15d ausgestattet. Die Pole 12d und 14-d liegen in einem Winkelabstand von 120° auseinander und der Pol 1J?d hat einen Winkelabstand von 120° gegenüber jedem der Pole 12d und 14d. Der Pol 15<ϊ trägt einen Polschuh 18d voller Grosse, während die Pole 12d und 14d Polschuhe 64- mit halber Grosse aufweisen, die gegeneinander gewandt sind. Die Pole tragen jeweils Wicklungen 60', 62¹ und 66. Die Wicklungen 60' und 62¹ ergeben ein zur Drehung dienendes Moment, während die Wicklung 66 als Haltewicklung dient.

Fig. 21 zeigt ein Prinzipschaltbild für den Schrittschaltmotor 10D. Die Wicklung 50* wird durch eine Spannungsquelle erregt und die Wicklung 62' durch eine Spannungsquelle 69. Die Wicklungen 60' und 62' liegen in Reihe mit der Haltewicklung 66, welche durch einen Schalter 68 überbrückt wird. Die Fig. 18 oder 20 zeiger·, die Stellung, in welcher die Wicklung 66 durch Öffnen des Schalters 6S erregt werden kann, um am Ankerpol 15d einer, Sülpci zu. erzeugen und den Rotor 19B in der dargestellten Position zu halten.

Fig. 18 zeigt den Rotor 19D nach links im Gegenzeigersinn verdreht, wenn die Wicklung 62' erregt wird, um am Ankerpol 14-ά einen Nordpol zu erzeugen, welcher einen Feldpol 22d anzieht. Ein Rotorarm 28d liegt an einem Anschlagelement 30d an. Fig. zeigt den Rotor 19D nach rechts im Uhrzeigersinn verdreht, wenn die Wicklung 60 erregt wird. Dadurch entsteht am Ankerpol 12d ein Nordpol, welcher den Feldpol 19d anzieht, der durch den Rotorarci 28d angehalten wird, welcher in Anlage mit dem Anschlagelement 32d kommt.

Wird der Strom an beiden Wicklungen 60' und 62 * sowie an der Haltewicklung 66 abgeschaltet, so kehrt der Rotor 19d selbst-

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tätig in die in Fig. 19 gezeigte Mittelstellung zurück. Das Drehmomentdiagramm gemäss Fig. 1? ist in gleicher Weise anwendbar, wie es vorausgehend für den Schrittschaltmotor 1OC beschrieben wurde.

Die Fig. 22, 23 und 24 zeigen einen Schrittschaltmotor 1OE für eine Verriegelung in drei Positionen. Der Rotor 19E kann in jede der drei Positionen bewegt werden, und bleibt dort, bis eine Drehmomenterzeugervorriehtung eine Bewegung in eine andere Position veranlasst. Der Rotorarm 28e liegt zwischen einem Paar Feldwicklungen 2Oe und 22e, die symmetrisch am Gehäuse des Rotors 19E angeordnet sind. Ein Anschlagelement 3Oe liegt rechts und links mehr als 90° von einer senkrechten Stellung des Rotorsarms 28e entfernt und ein Anschlagelement 32e liegt rechts und links mehr als 90 von der senkrechten Stellung des Rotorsarms 28e entfernt. Zwei Ankerpole 12e und 14e liegen im Abstand von 90° voneinander und tragen jeweils eine Ankerwicklung, die beispielsweise durch einen Stromkreis gemäss Fig. 16 erregt werden kann, wie er vorausgehend beschrieben wurde.

Durch Antrieb des Rotors 19E über einen Vinkelbereich von 90° über seine Mittelstellung nach Fig. 22 hinaus wird das Rotorgehäuse mit einem der starren Anschlagelemente 3Oe oder 32e verriegelt, d. h. falls der Rotor 19e im Gegenzeigersinn angetrieben wird, legt sich der Rotorarm 28 gegen das Anschlagelement 3Oe gemäss Fig. 23 und falls der Rotor 19E im Uhrzeigersinn angetrieben wird, legt sich der Rotorarm 28 gegen das Anschlagelement 32e gemäss Fig. 24. Diese Verriegelung tritt ein, weil der Rotor 19E ausgehend von der Mittelstellung nach Fig. 22 die gegenüberliegende Stellung geringsten magnetischen Widerstandes aufsucht. Die Antriebskraft zum Antrieb des Rotors 19E kann erhalten werden, indem zuerst der Ankerpol 14e elektrisch zu einem Nordpol gemacht und nach dem Verdrehen des Rotors 19e um etwa 75° der Ankerpol 14e entregt und der Ankerpol 12e erregt wird, wodurch der Rotor 19 in die in Fig. 24 gezeigte Stellung verdreht wird, in welcher er beim Abschalten des Stromes verriegelt wird. Wird der Ankerpol 12e

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zu einem Südpol, so dreht sich, der Rotor 19E in Ifig. 23 in die linke Stellung. Die Anschlagelemente 3Oe und 32e werden für die gewünschte Drehung eingestellt. Bei einer Drehung, die beiderseits der in Fig. 22 eingetragenen Mittelstellung über 90° hinausgeht, wirken die Anschlagelemente als Verriegelungspunkte. Der Rotor 19E hat das Bestreben, sich im 180°-Abstand gegenüber der Mittelposition nach Fig. 22 auf einen Stabilitätspunkt geringsten magnetischen Widerstandes einzustellen, wird jedoch durch eines der starren Anschlagelemente angehalten.

Fig. 25 zeigt ein Drehmomentdiagramm für den Schrittschaltmotor 1OE, und lässt erkennen, dass ein magnetisches Drehmoment im Gegenzeigersinn (CCW) vorhanden ist, wenn der Rotor 19E gegenüber der 0°-Mittelposition um mehr als 90° nach rechts bewegt wird. Dabei kann das Anschlagelement 32e den Rotor 19E beispielsweise bei 135° in einer verriegelten Stellung halten, oder bei einer beliebigen Rotorposition zwischen 90° und 180°. In ähnlicher Weise zeigt das Diagramm, dass ein magnetisches Moment im Uhrzeigersinn vorhanden ist, wenn der Rotor 19E im Uhrzeigersinn (CW) über -90 hinaus nach links bewegt wird. Das Anschlagelement 3Oe hält den Rotor 19E beispielsweise bei 135° oder in einer beliebigen anderen Rotorposition zwischen -90° und 180° verriegelt.

Die Fig. 26A bis 26E zeigen verschiedene Ankerausbildüngen, welche für verschiedene Verriegelungsweisen und ausfallsichere Betriebsarten verwendet werden können. Es sind zwei Ankerpole 12f, 14-f vorgesehen, wovon jeder einen Polschuh 90 voller Grosse trägt und die im Winkelabstand von 180 voneinander gemäss Fig. 26A axial fluchtend angeordnet werden können. Zwei Ankerpole 12g und 14g können in einem Winkel von weniger als 180 und mehr als 90° gemäss Fig. 26B verwendet werden. In Fig. 26C sind zwei Ankerpole 12h und 14h im Abstand von 120° voneinander angeordnet und jeder Ankerpol trägt einen Polschuh 92 mit halber Grosse. In Fig. 26D werden drei Ankerpole 12j, 14-j und 15j gemäss den Fig. 18, 19 und 20 verwendet, die jedoch alle Polschuhe 93 mit voller Grosse aufweisen. In dieser Anordnung

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muss eine Haltevorrichtung vorgesehen werden, um den Rotor in den Endstellungen zu verriegeln. In Fig. 26E sind jeweils vier Ankerpole 12k, 14k, 15k und 1?k mit Polschuhen 94, 96 mit halber Grosser ausgestattet. Das heisst, die Polschuhe 94 erstrecken sich auf den Ankerpolen 12k, 14k gegeneinander und die Polschuhe 96 erstrecken sich auf den Ankerpolen 15k» 17k gegeneinander. Die Pole 12k und 14k liegen weniger als 90° voneinander. In ähnlicher Weise liegen die Pole 15k und 17k weniger als 90° voneinander. Alle Ausführungsformen gemäss den 5¹Xg. 26A bis 26E haben einen zugeordneten Rotor, welcher ein Eigen-Rückstellmoment für ausfallsieheren Betrieb in der vorausgehend beschriebenen Weise aufweist, wobei der Rotor das Bestreben hat, eine Stellung geringsten magnetischen Widerstandes gegenüber dem Ankerfeld einzunehmen. Der Rotor kann dem Rückstellmoment zur Verriegelung in einer Mehrzahl von Stellungen ausgesetzt sein. Beispielsweise können die dem Anker der Fig. 26D und 26E zugeordneten Rotoren drei Stellungen mit ausfallsieherem Betrieb in der Mittelstellung aufweisen, ähnlich zur Ausführungsform, die in Verbindung mit den Fig. 18 bis 20 beschrieben wurde. Der Rotor, welcher dem vierpoligen Anker gemäss Fig. 26E zugeordnet ist, kann mehrere instabile Positionen haben, wobei ein Eigen-Rückstellmoment das Rotorgehäuse in eine stabile Position bringt.

Es ist manchmal vorteilhaft, die normalerweise geschlossenen Schalter 33 und 56 gemäss Fig. 12 auszuschalten, wenn der Arm 28b durch eines der Anschlagelemente 30b oder 32b angehalten wird, um dadurch die jeweiligen Motorwicklungen 50 oder 52 stromlos zu machen. Wie aus Fig. 28 hervorgeht, ist der Rotor 19D auf einer Platte 104 befestigt, welche einen Schlitz 106 hat, deren Enden jeweils als Anschlagelemente 30b und 32b dienen (Fig. 27A, 27B und 27C). Die Platte 104 ist an einer stationären Hohlwelle 108 befestigt, durch welche drei Zuleitungen 110, 112 und 114 geführt sind, welche die Motorwicklungen 50, 52 (Fig. 29) speisen. Zwei im Abstand voneinanderliegende Lager 116 und 118 können an der Hohlwelle 108 angeordnet werden, um einen freien Umlauf des Rotors 19B bei Einschaltung

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der jeweiligen Motorwicklungen 50 oder 52 zu gestatten.

Gemäss J¹Xg. 27A kann der Schalter 55 als Mikroschalter ausgeführt sein und wird geöffnet, wenn der Arm 28b gegen einen Pol 55a des Schalters 55 zur Anlage kommt. Wird ein Schalter (Fig. 29) geschlossen, so wird an die Motorwicklung 52 eine Spannung angelegt, um am Ankerpol 14b (Fig. 9) einen Südpol zu erzeugen, damit der Rotor 19B in die in Fig. 11 gezeigte Lage gedreht wird, in v/elcher der Arm28b durch das Anschlagelement 32b angehalten und der Schalter 56 durch Anlage gegen einen Pol 56b des Schalters 56 geöffnet wird. Anschliessend wird der Schalter 122 geöffnet.

In ähnlicher Weise wird die Motorwicklung 50 eingeschaltet, wenn der Schalter 120 geschlossen ist und sich der Arm 28b in der in Fig. 27C gezeigten Stellung befindet, in welcher der Schalter 55 geschlossen und der Schalter 56 geöffnet ist, womit der Ankerpol 12b zum Südpol wird, um eine Drehung des Rotors 19B aus der in Fig. 11 gezeigten Stellung in die in Fig. 9 gezeigte Stellung zu veranlassen, in welcher der Arm 28b durch das Anschlagelement 30b angehalten und gegen den Pol 55a des Schalters 55 zur Anlage kommt, um die Spannung 56 an der Motorwicklung 50 abzuschalten. Anschliessend wird der Schalter 120 geöffnet.

Vorausgehend wurde nur eine begrenzte Anzahl bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise beschrieben, und weitere Abänderungen sind im Rahmen der anliegenden Ansprüche möglich.

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Claims

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1. j Eotations-Schrittschaltmotor, gekennzeichnet durch einen stationären Anker (11), welcher eine Anzahl Magnetarme aufweist, die stationäre im Winkelabstand voneinander angeordnete Ankerpole (12, 14; 12a, 14a; 12b, 14b; 12c, 14c; 12d, 14d; 15d; 12e, 14e; 12f, 14f; 12g, 14g; 12h, 14h; 12j, 14J, 15j) bilden, einen zylindrischen Eotor (19, 19B, 19c, I9D, 19E), welcher einen ersten und einen zweiten zylindrisch gekrümmten,durch einen Dauermagneten gebildeten Feldpol aufweist, wobei die Feldpole gegenseitige Polarität haben, umfangsseitig im Abstand voneinander angeordnet liegen und den Anker umgeben, eine mechanische Anschlaganordnung (30; 30a, 32a; 30b, 32b; 3Oe, 32e) die Winkelbewegung des Rotots begrenzt und ein erstes und zweites Anschlagelement enthält, die gegenüber dem Eotor stationär angeordnet und im Winkelabstand voneinander liegen und eine vom Eotor abstehende Armanordnung (28, 28b, 28c, 28d, 28e), welche zur Anlage an den Anschlagelementen dient, um die Winkelbewegung des Rotors anzuhalten, eine Drehmomenterzeugervorrichtung (42; 50, 52; 60, 62; 60', 62'; 80, 82), die mit dem Anker verbunden ist, um auf den Rotor zur Drehung desselben ein Drehmoment auszuüben, so dass die Einwirkung des Drehmoments auf den Eotor dessen Drehung verursacht und die Armanordnung vom ersten Anschlagelement ausgehend einen Winkelbereich durchläuft, der erste Eotorfeidpol mit einem der magnetischen Ankerarme verriegelt bleibt und der Motor bei Wegfall des Drehmoments am Eotor sich gegen das erste Anschlagelement verdreht, bis die Armanordnung in Anlage mit dem ersten Anschlagelement gelangt und, falls die Drehmomentanwendung am Eotor ausreicht, dass dieser über einen Winkelbereich verdreht wird, der erste Eotorfeldpol mit einem zweiten der Ankerpole verriegelt wird und bei Abschaltung des von der Drehmoment erz eugervorrichtung ausgeübten Drehmoments die Eotorarmanordnung in Anlage mit dem zweiten Anschlagelement gelangt.

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2. Botations-Schrittschaltiaotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausübung eines Drehmoments auf den Rotor (19, 19B, 19C, 19D, 19E) mindestens eine Wicklung auf mindestens einem stationären Ankerpol zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist, wenn die Wicklung durch eine angelegte Spannung eingeschaltet wird.

$. Eotations-Schrittschaltmotor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen mit der Wicklung verbundenen Stromkreis sur Speisung der Wicklung, um das genannte Magnetfeld su erzeugen.

4. Eotations-Schrittschaltmotor nach Anspruch 1 oder 5,dadurch gekennzeichnet, dass die Feldpole (20, 22; 20a, 22a) umfangsseitig asymmetrisch angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Enden der- Peldpole näher aneinander liegen als die anderen Enden der ZTeldpole, um die llussdichte an den enger benachbarten Enden der Feldpole zu erhöhen.

5· Eotations-Schrittschaltmotor nach Anspruch 4-, gekennzeichnet durch eine weitere an einem stationären Pol des Ankers angeordnete Wicklung (40), die als Halteeinrichtung dient, um den Botor bei ihrer Erregung in einer vorgegebenen Stellung zu halten.

6. Eotations-Schrittschaltmotor nach Anspruch 1 oder 3?dadurch gekennzeichnet, dass /der Anker mehr als zwei stationäre Ankerpole aufweist.

7. Eotations-Schrittschaltmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausübung eines Drehmoments auf den Hotor aus Wicklungen auf bestimmten stationären Ankerpolen besteht, um bei Erregung dieser Wicklungen durch eine angelegte Spannung Magnetfelder zu erzeugen.

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8. Rotations-Schrittschaltmotor nach Anspruch J, gekennzeichnet durch einen mit den Erregerwicklungen verbundenen
Schaltkreis zur Speisung der Wicklungen zwecks Erzeugung
von magnetischen Felder.

9. Eotations-Schrittschaltmotor nach Anspruch 3? gekennzeichnet, durch eine in der Bahn der Armanordnung (28, 28b, 28c-, 28d, 28e) liegende Schaltvorrichtung, welche durch die
Armanordnung betätigt wird, um die Erzeugung des magnetischen Feldes abzuschalten.

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