DE2721621A1 - Verfahren und einrichtung zum daempfen von schrittmotoren - Google Patents

Description

VDO 6 FRANKFURT/MAIN 90

ADOLF SCHINDLING AG GRÄFSTRASSE 103

Verfahren und Einrichtung zum Dämpfen von Schrittmotoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen von Schrittmotoren, deren Rotor jeweils zwischen zwei Schritten einen Drehweg von einer ersten Schrittstellung in eine zweite Schrittstellung zurücklegt, wobei der Rotor einer Dämpfungskraft ausgesetzt ist, und eine Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens.

Auf dem Gebiet der elektrisch angetrieben Uhren wird das Zeigerwerk von Gross- und Kleinuhren mit Schrittmotoren angetrieben. Unbedämpfte Schrittmotoren haben regelmässig den Nachteil, dass der Rotor in eine Schrittstellung bzw. die Ruhelage einpendelt, wodurch im Rhythmus der Schritte, normalerweise jede Sekunde, Geräusche entstehen und zusätzliche Belastungen des Zeigerwerks auftreten können. Durch die Geräuschbildung kann der Gebrauchswert der Uhr vor allem bei Weckeruhren nennenswert herabgesetzt sein.

Es besteht daher das Problem, Geräusche durch Verändern der Einlaufcharakteristik des Rotors in die Schrittstellung zu beseitigen. Bekannt ist hierzu, die Rotorbewegung zu dämpfen, und zwar auf seinem gesamten Drehweg. Dadurch wird aber der ohnehin verhältnismässig schlechte Wirkungsgrad des Schrittmotors noch weiter verschlechtert. Insbesondere wird der Anlauf des Rotors aus der Ruhestellung erschwert. Die auf dem gesamten Drehweg wirkende Reibungsdämpfung herkömmlicher Dämpfungseinrichtungen kann ausserdem die Genauigkeit des Einlaufe in eine Schrittstellung herabsetzen.

Bekannt ist es auch, in mit Schrittmotoren verbundenen Getrieben träge Massenteile über ein elastisches Element mit dem Rotor zu kuppeln, um auf diese Weise ein Klappern der Getrieberäder zu vermeiden. Damit werden jedoch Geräusche des Getriebes nicht

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mit Sicherheit ausgeschlossen, da die bei dem Einlauf in eine Schrittstellung überschüssige Energie nicht mit Sicherheit vernichtet wird, sondern nur in eine andere unter Umständen auf das Getriebe wieder rückwirkende Form umgewandelt wird. Diese Einrichtung setzt ausserdem eine besonders sorgfältige Dimensionierung voraus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, unter Vermeidung der voranstehenden Nachteile ein Verfahren zum Dämpfen von Schrittmotoren so zu gestalten, dass Geräusche durch Einlauf des Rotors in seine Schrittstellungen jeweils ohne Überschwingen vermieden werden, wobei trotzdem die nutzbare Leistung des Schrittmotors möglichst nicht herabgesetzt wird und der Aufwand zur Herstellung einer nach diesem Verfahren arbeitenden Einrichtung nicht zu sehr vergrössert wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die Dämpfungskraft nur längs eines Teils des Drehwegs auf den Rotor zur Einwirkung gebracht wird. Dadurch kann die Dämpfungskraft in vorteilhafter Weise ohne weiteres so bemessen werden, dass der Rotor in gewünschter Weise in eine Schrittstellung einläuft, d.h. dass der Rotor nicht oder nur unwesentlich Uberschwingt oder sogar nur langsam in seine zu erreichende Schrittstellung bzw. in die Ruheposition hineinkriecht.

In besonders zweckmässiger Weise ist das Verfahren hierzu so ausgestaltet, dass die Dämpfungskraft an den Rotor in einem Drehbereich vor Einlauf in eine Schrittstellung angreift und in der Schrittstellung sowie in einem sich daran unmittelbar ₍ anschliessenden Bereich unwirksam ist. Dadurch kann trotz des gewünschten Einlaufe in die Ruhelage, d.h. ohne überschwingen, der Rotor seine Schrittstellung exakt erreichen, da zuvor die Einwirkung der Dämpfungskraft beendet ist. Der Rotor kann auch ungehindert zur Bewegung in die nächste Schrittstellung anlaufen, da auch hier keine Dämpfungskraft zu überwinden ist. Dieses Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, dass die

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Dämpfung nur dann wirksam ist, wenn sie zum Erreichen der gewünschten Einlaufcharakteristik tatsächlich erforderlich ist und längs des übrigen Drehwegs des Rotors seine Bewegung nicht behindert. Dabei kann die Dämpfungskraft längs des Abschnittes des Drehwegs,in der sie auf den Rotor einwirken soll, zusätzlich in vorteilhafter Weise variabel dimensioniert sein, insbesondere in der Weise, dass die Dämpfungskraft stetig von Null ansteigend einen Maximalwert erreicht und dann wieder vor der Schrittstellung stetig auf Null abfällt. Dadurch kann ein besonders harmonischer Einlauf des Rotors in die Schrittstellung erzielt werden.

Die Verfahren können in zweckmässiger Weise durch eine Einrichtung mit den Merkmalen realisiert werden, dass an dem Rotor ein erstes Dämpfungsmittel so angebracht ist und bezüglich des Stators ein zweites Dämpfungsmittel ortsfest so angeordnet ist, dass das erste Dämpfungsmittel und das zweite Dämpfungsmittel in einem Drehbereich, der kleiner als der gesamte zwischen zwei Schrittstellungen zurückzulegende Drehweg ist, miteinander in Eingriff gelangen.

Im einzelnen hat eine bevorzugte Variante dieser Einrichtung die Merkmale, dass als erstes Dämpfungsmittel ein Drehflügel an dem Rotor angebracht ist, dass als zweites Dämpfungsmittel eine viskose Flüssigkeit in einer Wanne vorgesehen ist, in die der Drehflügel nur längs eines Teils seines Drehwegs eintaucht, und dass die nur teilweise mit viskoser Flüssigkeit gefüllte Wanne den gesamten Drehbereich des Drehflügels einschliesst. Als viskose Flüssigkeit kann insbesondere öl verwendet werden. Der mit dem Rotor starr verbundene Drehflügel taucht in vorgegebenen Stellungen im Verlaufe der Drehbewegung des Rotors mehr oder weniger in die viskose Flüssigkeit in der Wanne ein und erzeugt dadurch eine variable Dämpfungskraft, bevor der Rotor in eine Schrittstellung einläuft. Dadurch, dass die nur teilweise mit viskoser Flüssigkeit gefüllte Wanne den gesamten Drehbereich des Drehflügels einschliesst, kann auch beim Trans-

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-Zr-

port vor der Aufstellung oder Montage einer mit dem Schrittmotor ausgerüsteten Uhr die viskose Flüssigkeit nicht aus der Wanne austreten. Die Abdichtung der Wanne ist verhältnismässig einfach, da nur eine rotierende Rotorwelle aus dem Gehäuse herauszuführen ist.

In zweckmässiger Weise ist die Einrichtung so ausgestaltet, dass die Wanne in einer Ebene, die auf der Rotorachse senkrecht steht, einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweist und in radial von der Rotorachse ausgehenden Ebenen einen annähernd V-förmigen Querschnitt hat. Dadurch ist die Dämpfung des Schrittmotors auch dann praktisch voll funktionsfähig, wenn der Schrittmotor nicht in seiner Soll-Lage, sondern innerhalb eines gewissen Schwenkbereichs eingebaut oder aufgestellt wird. Ausserdem ist die Herstellung der Einrichtung mit der rotationssymmetrischen Wanne verhältnismässig wenig aufwendig.

Bei einem Schrittmotor, der in gesamten Drehweg zwei Schrittstellungen einnehmen kann, ist die Einrichtung in zweckmässiger Weise so augestaltet, dass zwei Drehflügel an dem Rotor einander gegenüberstehend angebracht sind. Dadurch kann jeweils ein Drehflügel in die gleiche Wanne eintauchen, bevor der Rotor in eine der beiden SchrittStellungen anläuft. Ausserdem ist durch die symmetrische Anordnung der Drehflügel der Rundlauf des Rotors nicht beeinträchtigt.

Eine andere Variante der erfindungsgemässen Einrichtung hat die Merkmale, dass an mindestens einer aussenliegenden Fläche des Rotors als erstes Dämpfungsmittel eine Dämpfungsflüssigkeit hervorstehend haftet und dass in dem Drehweg der Dämpfungsflüssigkeit vor jeder Schrittstellung der Fläche mit der anhaftenden Dämpfungsflüssigkeit eine ortsfeste Flanke als zweites Dämpfungsmittel angeordnet ist, an der die Dämpfungsflüssigkeit vor dem Einlauf des Rotors in die Schrittstellung entlanggleitet. Diese Einrichtung ist konstruktiv besonders einfach, wenn eine haftende Dämpfungsflüssigkeit verwendet wird, die genügend an der vorgesehenen Fläche des Rotors haftet. Besondere Abdichtungsmassnahmen können in diesem Fall entfallen.

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Die ortsfeste Flanke ragt zweckmässig zunehmend in den Drehweg der Fläche, an der die Dämpfungsflüssigkeit haftet, hinein und erzeugt so eine anwachsende Dämpfungskraft bezogen auf eine Drehgeschwindigkeit des Rotors.

In einer bevorzugten Ausführungsform der letztgenannten Einrichtung dient als Dämpfungsflüssigkeit eine magnetische Flüssigkeit, die aussen an den Polflächen des Rotors haftet. Dadurch wird die Dämpfungsflüssigkeit im Bereich der grössten magnetischen Feldstärke am sichersten gehalten.

In einer anderen zweckmässigen Variante der Einrichtung steht anstelle der Dämpfungsflüssigkeit von mindestens einer aussenliegenden Fläche des Rotors ein flexibler Kunststoff-Faden ab. Für diesen Kunststoff-Faden kann ein Kunststoff ausgewählt werden, der abriebfest ist und die gewünschten Gleiteigenschaften gegenüber der ortsfesten Flanke,an der er entlanggleitet, aufweist.

Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, in der drei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt senkrecht zur Rotorachse eines Schrittmotors mit einer ersten Variante der Dämpfungseinrichtung;

Fig. 2 den Schrittmotor mit Dämpfungseinrichtung nach Fig. 1 in einem Schnitt in einer Ebene, in der die Rotorachse liegt;

Fig. 3 einen Schnitt senkrecht zur Rotorachse durch einen Schrittmotor mit einer zweiten Variante der Dämpfungseinrichtung und

Fig. 4 einen Schnitt wie in Fig. 3 durch einen Schrittmotor mit einer dritten Variante der Dämpfungseinrichtung.

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In Pig. 1 ist mit 1 ein Rotor eines Schrittmotors bezeichnet, der als Stirnläufer ausgebildet ist. Der Rotor befindet sich in einer ersten Schrittstellung bezüglich der Statorwicklung

An dem Rotor sind einander gegenüberstehend zwei Drehflügel 3 und 4 starr befestigt. Sie sind um einen Winkel gegenüber dem Stator derart versetzt angeordnet, dass in jeder Schrittstellung einer der beiden Drehflügel 3, 4 vollständig aus einem ölsumpf 5 herausragt.

Zur Bildung des ölsumpfes ist ein Gehäuse 6 innen als Wanne ausgebildet. Die Wanne ist zu symmetrisch mit im Zentrum angeordneter Rotorachse 7 ausgebildet. Radiale Querschnitte durch die Wanne zeigen eine annähernd V-förmige Form.

Der ölsumpf hat entsprechend dieser Ausbildung der Wanne entlang einem in Richtung des Teiles 8 verlaufenden Drehweg zunächst eine geringere Tiefe, dann eine maximale Tiefe und flacht wieder auf Null ab.

Wird der Schrittmotor in der in Fig. 1 gezeigten ersten Schrittstellung erregt, damit der Rotor in die zweite Schrittstellung einläuft, so erfolgt der Anlauf zunächst ohne Bedämpfung, da beide Drehflügel nicht mit dem ölsumpf in Berührung stehen. Der Rotor kann daher mit maximalem Moment anlaufen. Wenn sich Jedoch der Rotor der zweiten Schrittstellung nähert, taucht der Drehflügel 4 in den ölsumpf ein, so dass die Drehbewegung zunächst schwach und dann stärker bedämpft wird. Kurz bevor der Rotor 1 seine zweite Schrittstellung erreicht, dreht jedoch der Drehflügel aus der tiefsten Stelle des Sumpfes in dessen flacheren Teil, so dass die Dämpfungskraft deswegen - und wegen der geringer gewordenen Drehgeschwindigkeit - abnimmt und schliesslich in der zweiten Schrittstellung Null wird. In der zweiten Schrittstellung kann also keine Däepfungskraft wirksam werden und den exakten Einlauf verfälschen. In der zweiten Schrittstellung nimmt dann der Drehflügel 4 die in Fig. 1 gezeichnete Stellung des Drehflügels 3

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ein. In Flg. 1 ist ferner angedeutet, dass innerhalb der Abschnitte 9 und 11 des gesamten Drehweges eine freie und ungedämpfte Bewegung erfolgt, während in den Abschnitten und 12 die Drehbewegung bedämpft 1st.

In Fig. 3 sind Stirnflächen 13, 1A eines Rotors 1 mit einem Belag viskoser Magnetflüssigkeit 15, 16 versehen. Das Gehäuse mit der Statorwicklung 2 weist eine annähernd kreisförmige innere Ausnehmung 17 auf. In die zu bedämpfenden Abschnitte des Drehwegs des Rotors reichen Flanken 18, 19 in den Innenraum der Ausnehmung derart hinein, dass sie mit der viskosen Flüssigkeit in Eingriff gelangen, nicht aber mit dem festen Körper des Rotors 1. Die Flanken ragen von der normalen Ausnehmung ausgehend zunehmend in den Drehweg der viskosen Flüssigkeit hinein und fallen vor der Schrittstellung bzw. der Ruhelage wieder auf den maximalen Umfang der inneren Ausnehmung ab.

Dadurch wird eine ähnliche Bedampfung der Rotorbewegung wie in Flg. 1 erzielt, jedoch mit dem Unterschied, dass vor dein Einlauf in jede der beiden möglichen Schrittstellungen be j de Flanken und beide Magnetflüssigkeitsmengen wirksam werden, so dass sich Ihre Dämpfungskräfte addieren. Ausserdem sind die bedämpften Abschnitte in Fig. 3, wie es sich aus der Geometrie der Flanken in Flg. 3 im Vergleich zu demjenigen des ölsumpfes in Flg. 1 ohne weiteres ergibt.

Die Variante nach Fig. 4 unterscheidet sich von derjenigen in Fig. 3 schllessllch nur dadurch, dass anstelle der viskosen Magnetflüssigkeitsmengen 15, 16 In Flg. 3 an den Stirnflächen 15, 16 des Ankers hervorstehende Kunststoff-Fäden 20, 21 angebracht sind. Die Kunststoff-Fäden bewirken eine ähnliche Bedämpfung der Drehbewegung des Rotors 1 In den bedämpften Abschnitten wie die viskose Magnetflüssigkeit.Unterschiede zwischen der Wirkungsweise der Variantmnach Fig. 3 und 4 können darin gesehen werden, dass die Kunststoff-Fäden ur-

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sprünglich eine definiertere Form als die Magnetflüssigkeitsmengen in Fig. 3 haben können, dass sich aber die Form der Kunststoff-Faden nach längerem Betrieb des Schrittmotors insbesondere durch Krümmung der Fäden ändern kann. Die Magnetflüssigkeitsmengen in Fig. 3 können hingegen unter der Wirkung der magnetischen Kräfte sich wieder in ihre ursprüngliche Form zurückstellen. Wenn an den Flanken 18, 19 in Fig. 3 Magnetflüssigkeitsteile haften bleiben, muss dadurch die Dämpfungswirkung nicht beeinträchtigt sein, da es grundsätzlich gleichgültig ist, ob die Magnetflüssigkeit an dem drehenden Teil oder an dem feststehenden Teil haftet, vielmehr kommt es auf die Wirkung der Magnetflüssigkeit zwischen beiden gegeneinander bewegten festen Grenzflächen bei der Bewegung eines Rotorpols gegenüber einer Flanke an.

Unter Umständen kann es bei verschiedenen Motortypen von Vorteil sein, uienn die Dämpfungsmittel sich in axialer Richtung des Rotors erstreckend angeordnet sind anstatt uie in den Figuren dargestellt in radialer Richtung.

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Claims (10)

Patentansprüche

1. !Verfahren zum Dämpfen von Schrittmotoren, deren Rotor

Jeweils bei jedem Schritt einen Drehweg von einer ersten Schrittstellung in eine zweite Schrittstellung zurücklegt, wobei der Rotor einer Dämpfungskraft ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskraft nur längs eines Teils des Drehwegs auf den Rotor zur Einwirkung gebracht wird.

2. Verfahren zum Dämpfen von Schrittmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungskraft an den Rotor in einem Drehbereich vor Einlauf in eine Schrittstellung angreift und in der Schrittstellung sowie in einem sich daran unmittelbar anschliessenden Bereich unwirksam ist.

3· Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rotor (1) ein erstes Dämpfungsmittel (3» 4 in Fig. 1, 2 bzw. 15, 16 in Fig. 3 bzw. 20, 21 in Fig. 4) so angebracht ist und bezüglich des Stators (Statorwicklungen 2) ein zweites Dämpfungsmittel (5 in Fig. 1 und 2, 18, 19 in Fig. 3 und 4) ortsfest so angeordnet ist, dass das erste Dämpfungsmittel und das zweite Dämpfungsmittel in einem Drehbereich, der kleiner als der gesamte zwischen zwei Schrittstellungen zurückzulegende Drehweg ist, mit einander in Eingriff gelangen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet. dass als erstes Dämpfungsmittel ein Drehflügel (3 bzw. 4) an dem Rotor (1) angebracht ist, dass als weites Dämpfungsmittel eine viskose Flüssigkeit (ölsumpf 5) in einer Wanne vorgesehen ist, in die der Drehflügel nur längs eines Teils

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seines Drehwegs eintaucht, und dass die nur teilweise mit viskoser Flüssigkeit gefüllte Wanne den gesamten Drehbereich des Drehflügels einschliesst.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet. dass die Wanne in einer Ebene, die auf der Rotorachse (7) senkrecht steht, einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweist und in radial von der Rotorachse ausgehenden Ebenen einen annähernd V-förmigen Querschnitt hat(Fig. 2).

6. Einrichtung mit einem Rotor, dessen Schrittstellungen nach je 180° aufeinanderfolgen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Drehflügel (3, 4) an dem Rotor einander gegenüberstehend angebracht sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 3» däduch gekennzeichnet, dass an mindestens einer aussen liegenden Fläche (13 bzw. 14) des Rotors (1) als erstes Dämpfungsmittel eine Dämpfungsflüssigkeit (15, 16) hervorstehend haftet und dass in dem Drehweg der Dämpfungsflüssigkeit vor jeder Schrittstellung der Fläche mit der anhaftenden Dämpfungsflüssigkeit eine ortsfeste Flanke (18 bzw. 19) als zweites Dämpfungsmittel angeordnet ist, an der die Dämpfungsflüssigkeit vor dem Einlauf des Rotors in die Schrittstellung entlang gleitet.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsflüssigkeit eine Magnetflüssigkeit dient, die aussen an den Polflächen (Stirnflächen 13, 14) des Rotors (1) haftet.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der Dämpfungsflüssigkeit von mindestens einer aussen liegenden Fläche (Stirnfläche 13 bzw. 14) des Rotors (1) mindestens ein flexibler Kunststoff-Faden (20 bzw. 21) absteht«

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10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel sich in axialer Richtung des Rotors erstreckend angeordnet sind.

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