DE2753271A1

DE2753271A1 - Servomotor with electromagnetic pole shoes - has pole ring of rotor lying on conical surface with apex at bearing centre

Info

Publication number: DE2753271A1
Application number: DE19772753271
Authority: DE
Inventors: Helmut Moll
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1977-11-30
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1979-05-31

Abstract

The servomotor has the pole shoes (3) of its electromagnets (2) orientated radially. The rotor (10) has a ferromagnetic pole ring (12) facing the radial pole shoes. The toothed wheels (9, 16) and the poles of the electromagnetics and the pole ring (14) lie on a conical surface. The toothed wheels of the stator (1) and rotor (10) are located in a radial plane. The pole ring and the pole shoes are located in a radial plane near the apex of the conical surface, the apex of which is at the centre of the rotor bearing.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellmotor gemäßThe invention relates to a servomotor according to

Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Ein derartiger aus der DT-AS 25 17 974 bekannter Stellmotor enthält auf dem Stator angeordnete und nacheinander ansteuerbare Elektromagnete, welchen auf dem Rotor ein Ring aus ferromagnetischem Material zugeordnet ist. Rotor und Stator sind mit Laufflächen oder Zahnkränzen unterschiedlichen Durchmessers versehen, wobei der Rotor mittels einer nachgiebigen Membran mit einer Abtriebswelle verbunden ist.Generic term of the first claim. One of these from the DT-AS 25 17 974 known servomotor contains arranged on the stator and one after the other controllable electromagnets, which have a ferromagnetic ring on the rotor Material is assigned. The rotor and stator have running surfaces or gear rings provided with different diameters, the rotor by means of a flexible Diaphragm is connected to an output shaft.

Schwierigkeiten ergeben sich bei dem bekannten Stellmotor im Hinblick auf die Ausbildung der magnetischen Kreise, da relativ große Luftspalte zwischen Elektromagneten und zugeordnetem Ring vorhanden sind und weiterhin die Membran bzw. die Zahnkränze magnetisch leitend sein müssen oder zusätzliche magnetische Rückschlußringe vorhanden sein müssen. Darüber hinaus müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um im stromlosen Zustand der Elektromagnete ein Haltemoment zu erhalten.Difficulties arise with the known servomotor with regard to on the formation of the magnetic circuits, as there are relatively large air gaps between Electromagnet and associated ring are present and the membrane or the ring gears must be magnetically conductive or additional magnetic return rings must be present. In addition, special precautions must be taken in order to obtain a holding torque when the electromagnet is de-energized.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einem geringen konstruktiven Aufwand einen Stel'motor mit hohem Haltemoment sowie einem guten Wirkungsgrad zu erhalten, welcher sich auch durch einen einfachen und kompakten Aufbau auszeichnet.The invention is therefore based on the object with a low constructive effort a Stel'motor with high holding torque and a good efficiency to obtain, which is also characterized by a simple and compact structure.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.This task is achieved by the characterizing part of the first claim specified features solved.

Der erfindungsgemäße Stellmotor zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und vor allem durch eine günstige Ausbildung der magnetischen Kreise aus, zumal zwischen den Polflächen des Polringes und Pol schuhen nur sehr kleine Luftspalte vorhanden sind. Von maßgeblicher Bedeutung ist die räumliche Trennung von Laufflächen oder Zahnkränzen von den magnetischen Kreisen, so daß diese jeweils unabhängig voneinander dimensioniert werden können. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Zahnkränze und Polflächen in verschiedenen Radialebenen anzuordnen und hierbei die Polflächen wegen der Rotordynamik in die Nähe der Kegelspitze zu legen, so daß weiterhin die erforderliche Luftspalte entsprechend klein dimensioniert werden und ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.The servomotor according to the invention is characterized by a simple one Structure and, above all, a favorable design of the magnetic circuits, especially since only very small air gaps between the pole faces of the pole ring and pole shoes available. The spatial separation of treads is of decisive importance or sprockets from the magnetic circles so that these respectively can be dimensioned independently of each other. It has been found to be beneficial proven to arrange the gear rims and pole faces in different radial planes and here the pole faces close to the tip of the cone because of the rotor dynamics place so that the required air gap continues to be dimensioned correspondingly small and a high degree of efficiency is achieved.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die nachgiebige Rotorlagerung in einem größeren axialen Abstand, welcher im wesentlichen dem Zahnkranzdurchmesser entspricht, zur Radialebene der Zahnkränze anzuordnen, so daß die Membran eine hohe axiale Steifigkeit aufweisen kann. Es wird ein hohes Haltemoment des Stellmotors auch im stromlosen Zustand der Elektromagnete erreicht, da die Zahnkränze von Rotor und Stator immer im Eingriff stehen.The flexible rotor bearing has proven to be advantageous at a larger axial distance, which is essentially the gear rim diameter corresponds to the radial plane of the ring gears to be arranged, so that the membrane has a high may have axial stiffness. There is a high holding torque of the servomotor even when the electromagnet is de-energized, the ring gears are reached by the rotor and stator are always engaged.

Werden Rotor und Stator mit mechanischen Anschlägen versehen zur Begrenzung von axialen Rotorbewegungen, so wird gewährleistet, daß die Zahnkränze immer im Eingriff stehen und somit der Stellmotor ein sehr hohes Haltemoment aufweist. Hierzu werden die Polflächen tevorzugt auf einer anderen Kegelmantelfläche angeordnet, welche sich in Richtung auf die Membran hin öffnet. Aufgrund der mechanischen Anschläge wird in bevorzugter Weise eine Selbsthemmung erreicht, deren Betrag im wesentlichen von der Festigkeit und der Form der Zähne von den Zahnkränzen vorgegeben ist.Are the rotor and stator provided with mechanical stops for limiting of axial rotor movements, this ensures that the sprockets are always in Are engaged and thus the servomotor has a very high holding torque. For this the pole faces are preferably arranged on a different surface of the cone, which opens towards the membrane. Because of the mechanical stops a self-locking is achieved in a preferred manner, the amount of which is essentially is determined by the strength and shape of the teeth of the gear rims.

Es ist vorteilhaft, die Abtriebswelle mittels zweier verspannter Schrägkugellager im Stator anzuordnen und somit ein axiales Spiel weitgehend auszuschließen. Wird der Statorzahnkranz auf einem topfförmigen Teil angeordnet, welches die Elektromagnete teilweise umgibt, und zusammen mit einem Ring für die Polschuhe innerhalb eines zylindrischen Gehäuses angeordnet, so ergibt sich eine kompakte Bauweise für den Stellmotor. Es ist hinsichtlich der Störanfälligkeit und einer einfachen elektrischen Verdrahtung von Vorteil, die Ansteuerelektronik für die Elektromagnete innerhalb des Gehäuses vorzugsweise auf einer ringförmigen Platine anzuordnen. Wird ein Winkelstellungsgeber in einer Bohrung der Abtriebswelle angeordnet, so wird eine optimale Raumausnutzung erreicht und weiterhin eine einfache Justage-Möglichkeit mittels einer flexiblen Welle, welche durch den Rotor hindurchgeführt ist, geschaffen.It is advantageous to connect the output shaft by means of two clamped angular contact ball bearings to be arranged in the stator and thus largely exclude axial play. Will the stator ring gear is arranged on a cup-shaped part, which the electromagnets partially surrounds, and together with a ring for the pole pieces within one arranged cylindrical housing, the result is a compact design for the Servomotor. It is in terms of susceptibility and a simple electrical Wiring is an advantage, the control electronics for the electromagnets within of the housing preferably to be arranged on an annular circuit board. Becomes an angular position transmitter Arranged in a bore of the output shaft, so an optimal use of space is achieved and still a simple adjustment option by means of a flexible Shaft, which is passed through the rotor, created.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is illustrated below with reference to the in the drawing Embodiments explained in more detail.

Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Stellmotor, dessen Laufflächen bzw. Zahnkränze und Polflächen auf der gleichen Kegelmantelfäche liegen, Fig. 2 teilweise einen Längsschnitt wie in Fig. 1, wobei jedoch die Polflächen als Anschläge ausgebildet sind.They show: FIG. 1 a longitudinal section through a servomotor, the Running surfaces or gear rims and pole faces lie on the same surface of the cone, Fig. 2 partially shows a longitudinal section as in Fig. 1, but the pole faces as Attacks are formed.

Der Stellmotor gemäß Fig. 1 enthält auf dem Etator 1 mehrere über den Umfang verteilte Elektromagnete 2, welche auf radial nach innen gerichteten Pol schuhen 3 aufgesetzt sind. Die Polschuhe 3 sind Ansätze eines vorzugsweise aus dünnen Blechen hergestellten Ringes 4, welcher innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 5 an Ansätzen 6 befestigt ist. Mit dem Ring 4 ist ein topfförmiges Teil 8 verbunden, welches an der radial nach innen weisenden Stirnfläche einen Zahnkranz 9 aufweist und die Elektromagnete 2 bzw. Spulen zumindest teilweise umschließt. Der Rotor 10 enthält ein zylindrisches Bauteil 12, mit welchem ein Polring 14 aus ferromagnetischem Material sowie eine Scheibe 15 mit einem Zahnkranz 16 verbunden sind. Die insbesondere aus einer hochfesten Leichtmetallegierung bestehenden Zahnkränze 9, 16 bzw. Polring 14 und Polschuhe 3 liegen in verschiedenen Radialebenen. Das Bauteil 12 ist mittels einer elastischen Scheibe oder Membran 18 mit einer Abtriebswelle 19 drehfest verbunden. Die Membran weist in Richtung der Drehachse 20 eine vergleichsweise hohe St figkeit auf, ermöglicht aber kleine Winkelbewegungen L:;3s Rotors 10 um die zur Drehachse 20 orthogonalen Achsen. Die Polflächen des Polringes 14 und der Polschuhe 3 sowie die Zahnkränze 16 und 9 befinden sich im wesentlichen auf der Mantelfläche eines mit strichpunktierten Linien 22 dargestellten Kegels, dessen Spitze etwa im Bereich der durch die Membran 18 gebildeten nachgiebigen Rotorlagerung liegt und dessen Öffnungswinkel oC zur Selbsthemmung etwa 600 beträgt. Zwischen den Polflächen des Polrings 12 und den Polflächen der Polschuhe 3 sind kleine Luftspalte 23 vorhanden, welche auch bei Erregung der Elektromagnete 2 und der hierbei erfolgenden Auslenkung des Rotors 10 nicht völlig verschwinden. Da jedoch die genannten Polflächen in einer anderen Radialebene als die Zahnkränze 9 und 19 liegen und somit einen geringeren Durchmesser aufweisen, sind die Luftspalte 23 vergleichsweise klein dimensioniert, so daß der magnetische Widerstand entsprechend gering ist.The servomotor according to FIG. 1 contains several over on the etator 1 the circumference distributed electromagnets 2, which are directed radially inward Pole shoes 3 are put on. The pole shoes 3 are approaches of a preferably thin sheet metal produced ring 4, which within a cylindrical housing 5 is attached to lugs 6. A cup-shaped part 8 is connected to the ring 4, which has a ring gear 9 on the end face pointing radially inward and at least partially encloses the electromagnets 2 or coils. The rotor 10 contains a cylindrical component 12, with which a pole ring 14 made of ferromagnetic Material and a disk 15 are connected to a ring gear 16. The particular Gear rims 9, 16 or pole ring made of a high-strength light metal alloy 14 and pole shoes 3 are in different radial planes. The component 12 is by means of an elastic disc or membrane 18 connected to an output shaft 19 in a rotationally fixed manner. The membrane has a comparatively high strength in the direction of the axis of rotation 20 on, but allows small angular movements L:; 3s rotor 10 around the axis of rotation 20 orthogonal axes. The pole faces of the pole ring 14 and the pole shoes 3 as well the ring gears 16 and 9 are located essentially on the lateral surface of a with dot-dash lines 22 shown cone, the tip of which is approximately in the area the resilient rotor bearing formed by the membrane 18 lies and its Opening angle oC for self-locking is about 600. Between the pole faces of the There are small air gaps 23 on the pole rings 12 and the pole faces of the pole shoes 3, which also when the electromagnet 2 is excited and the deflection that takes place of the rotor 10 do not disappear completely. However, since the mentioned pole faces in a other radial plane than the ring gears 9 and 19 and thus a lower one Have diameter, the air gaps 23 are relatively small, so that the magnetic resistance is correspondingly low.

Die Zahnkränze 9, 16 weisen eine Zähnezahldifferenz von mindestens eins auf. Die Durchmesser der Zahnkränze sind derart dimensioniert, daß die Zahnkränze 9,16 in einem Bereich des Umfangs in Eingriff stehen und sich in dem diametral gegenüberliegenden Bereich abstützen. Werden nun sämtliche Elektromagnete 2 zyklisch nacheinander erregt, so führt der Rotor 10 eine Taumelbewegung von 3600 aus, wobei die Abtriebswelle 19 kleine Schrittbewegungen entsprechend der Zähnezahl, deren Differenz und der Anzahl der Elektromagnete ausführt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, immer gleichzeitig zwei in Umfangsrichtung nebeneinander liegende Elektromagnete 2 anzusteuern und zur Durchführung einer Schrittbewegung entsprechend der geforderten Drehrichtung den nächstfolgenden anzusteuern sowie den anderen Elektromagneten abzuschalten.The ring gears 9, 16 have a difference in the number of teeth of at least one on. The diameter of the ring gears are dimensioned in such a way that the ring gears 9,16 are engaged in one area of the circumference and in the diametrically opposite one Support area. If all electromagnets 2 are now excited cyclically one after the other, the rotor 10 thus performs a wobbling motion of 3600, with the output shaft 19 small step movements according to the number of teeth, their difference and the Number of electromagnets executes. It's proven beneficial, always to control two electromagnets 2 lying next to one another in the circumferential direction at the same time and to carry out a step movement according to the required direction of rotation to control the next one as well as to switch off the other electromagnet.

Da - wie bereits ausgeführt - die Zahnkränze an einer Stelle immer im Eingriff stehen, weist der Stellmotor aber auch im stromlosen Zustand der Elektromagnete 2 ein erhebliches Haltemoment auf, welches außer der Zahngeometrie maßgeblich durch die axiale Steifigkeit der Membran 18 bestimmt wird.As already stated, the sprockets are always in one place are engaged, but the servomotor also has the electromagnets in the de-energized state 2 has a considerable holding torque, which, in addition to the tooth geometry, is largely due to the axial stiffness of the membrane 18 is determined.

In Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung mit Anschlägen 7, 11 für die Begrenzung von axialen Rotorbewegungen dargestellt. Hierbei liegen die Polflächen der Polschuhe 3 und des Polringes 14 auf der Mantelfläche 34 eines Kegels, welcher sich zur nachgiebigen Rotorlagerung bzw. Membran 18 öffnet. Derartige mechanische Anschläge zwischen Rotor und Stator können auch an anderen geeigneten Stellen vorgesehen werden. Es wird auf diese Weise erreicht, daß Rotor und Stator im Eingriff blieben und daß der Betrag der Selbsthemmung bzw. das Haltemoment von der Festigkeit und der Formgebung der Zähne der Zahnkränze 9 und 16 abhängt und somit durch geeignete Dimensionierung vorgegeben werden kann.In Fig. 2 is a further embodiment with stops 7, 11 for the limitation of axial rotor movements is shown. Here are the pole faces the pole shoes 3 and the pole ring 14 on the lateral surface 34 of a cone, which opens to the flexible rotor bearing or membrane 18. Such mechanical Stops between the rotor and stator can also be provided at other suitable locations will. It is achieved in this way that the rotor and stator remained in engagement and that the amount of self-locking or the holding torque of the strength and the shape of the teeth of the ring gears 9 and 16 depends and thus by suitable Dimensioning can be specified.

Die Elektronik zur Ansteuerung der Elektroagnete 2 ist innerhalb des Gehäuses 5 auf einer ringförmigen Platine 25 angeordnet, welse an Ansätzen 26 befestigt ist. Sorrit können die hier nicht dargestellten elektrischen Leitungen der Elektromagnete 3 unmittelbar an die Platine 25 angeschlossen werden und müssen nicht einzeln aus dem Stellmotor herausgeführt werden. Die Abtriebswelle 19 ist mittels zweier in axialer Richtung gegeneinander verspannter Schrägkugellager 27, 28 im Stator 1 gelagert. Die Abtriebswelle enthält eine Längsbohrung29, in welcher ein als Potentiometer ausgebildeter Winkelstellungsgeber 30 angeordnet ist.The electronics for controlling the solenoids 2 are within the Housing 5 arranged on an annular plate 25, which is attached to lugs 26 is. Sorrit can use the electrical lines of the electromagnets, not shown here 3 can be connected directly to the circuit board 25 and do not have to be taken out individually the servomotor. The output shaft 19 is by means of two in angular contact ball bearings 27, 28 braced against one another in the axial direction are supported in the stator 1. The output shaft contains a longitudinal bore29 in which a potentiometer trained angular position transmitter 30 is arranged.

Das zylindrische Bauteil 12 ist mit einer Längsbohrung 31 versehen, durch welche eine flexible Welle 32 des Winkelstellungsgebers 30 hindurchragt, um eine leichte Justage desselben zu ermöglichen. Der Winkelstellungsgeber 30 kann bevorzugt als ein Nuilsensor (z.B. kapazitiv, induktiv) ausgebildet sein, um eine Nullstellung der Abtriebswelle zu sensieren, so daß bei digitaler Ansteuerung der Elektromagnete 3 ausgehend von der Nullstellung lediglich die den Elektromagneten zugeführten Stellimpulse ausgezählt werden. Der Stellmotor wird mit einer Schutzkappe 33 abgeschlossen.The cylindrical component 12 is provided with a longitudinal bore 31, through which a flexible shaft 32 of the angular position sensor 30 protrudes to a slight adjustment to enable the same. The angular position transmitter 30 can preferably be designed as a zero sensor (e.g. capacitive, inductive), to sense a zero position of the output shaft, so that with digital control the electromagnet 3, starting from the zero position, only the electromagnets supplied control pulses are counted. The servomotor comes with a protective cap 33 completed.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Servo motor claims Servo motor containing a stator with annularly arranged electromagnet, a rotor, which in particular by means of a flexible diaphragm is connected to an output shaft and a ferromagnetic one Has ring, as well as on the kotor and stator oppositely arranged annular Running surfaces or gear rims with different diameters, characterized in that that the pole shoes (3) of the electromagnets (2) are aligned essentially radially are that the rotor (10) one of the pole shoes (3) opposite in the radial direction Pole ring (12) äus ferromagnetic material and that the running surfaces or Ring gears (9, 16) and preferably the pole faces of the electromagnets (2) or the Pole rings (14) lie essentially on a conical surface (22).

Claims 2. Servomotor, in particular according to claim 1, characterized characterized in that the running surfaces or ring gears (9, 16) of the rotor (10) and stator (1) are arranged in a radial plane and that in a further, preferably the tip of the cone shell closer to the radial plane of the pole ring (14) and the radially directed pole shoes (3) onto which the electromagnets (2) are pushed are arranged.

3. servomotor, in particular according to claim 1, characterized in that that the rotor (10) and the stator (1) have mechanical stops (7, 11) for Limitation of axial movements of the rotor (10).

4. servomotor, in particular according to claim 3, characterized in that that the stops (7, 11) are equal to the pole faces of the electromagnets (2) and the Pole ring (14), the pole faces (7, 11) preferably on the outer surface of a to the flexible rotor bearing (18) of the opening cone (34).

5. Servomotor according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the rotor (10) is preferably arranged within the stator (1) and that the tip of the conical surface (22) at least approximately in the area of the flexible Rotor bearing (18) is located.

6. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that that the rotor (10) contains a substantially cylindrical component (12) which for flexible mounting by means of a preferably rigid in the axial direction Membrane (18) is rotatably connected to the output shaft (19).

Claims 7. Servomotor according to Claim 6, characterized in that that the output shaft (19) preferably by means of two against each other in the axial direction tensioned angular contact ball bearings (27, 28) is mounted in the stator (1).

8. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that that all the pole shoes (3) the radially directed lugs of a ring (4) are, which is preferably made from a number of thin sheets.

9. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that that the ring gear (9) of the stator (1) is arranged on a cup-shaped part (8) which partially surrounds the coils of the electromagnets (2).

10. Servomotor according to claim 9, characterized in that the cup-shaped Part (8) connected to the ring (4) and within a substantially cylindrical Housing (5) of the stator (1) is arranged.

11. Servomotor according to claim 10, characterized in that in the Housing (5) at least one circuit board (25) with the control electronics for the electromagnets (2) is arranged, the electrical connection lines of which are connected directly to the circuit board (25) are connected.

12. Servomotor according to claim 11, characterized in that the housing (5) has lugs (6, 26) on the inner surface for fastening the ring (4) and the circuit board (25).

Claims 13. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that on the substantially cylindrical component (12) of the Rotor has a disc (15) with the running surface or the ring gear (16) and in the axial Direction next to the pole ring (14) are arranged.

14. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that that the pole faces of the pole ring (14) or the pole shoes (3) have a smaller diameter have than the running surfaces or ring gears (9, 16).

15. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that that in particular the output shaft (19) has a bore (29) in which a Angular position transmitter (30) is arranged.

16. Servomotor according to claim 13, characterized in that the cylindrical Component (12) has a longitudinal bore (31) through which a flexible shaft (32) of the angular position sensor (30) protrudes for adjustment of the same.

17. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that that the component provided with the running surfaces or the ring gears (9, 16) from one high-strength light metal alloy are made.

18. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that that over the opening angle of the cone (22) self-locking of the servomotor in the de-energized State is reached.

Claims 19. Servomotor according to claim 18, characterized in that that the self-locking of the opening angle whether the cone (22) in the order of magnitude of 600.

20. Servomotor according to claim 18, characterized in that the amount the self-locking of the geometry of the gear rims (9, 16), the opening angle oC and the axial rigidity of the rotor bearing (18) is predetermined.

21. Stellinotor according to claims 18, 4 and / or 3, characterized in that that due to the mechanical stops (7, 11) the amount of self-locking by the strength and shape of the ring gears (9, 16) is predetermined.

22. Servomotor according to one of the preceding claims, characterized in that that with self-locking the axial distance of the flexible rotor bearing (18) to The radial plane of the ring gears (9, 16) is essentially the same size as the ring gear diameter.