DE2801482C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schrittmotoren des Spannungswellentyps gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem gattungsgemäßen Schrittmotor gemäß dem Stand der Technik nach der US-PS 33 31 974, wie er in der Fig. 1 gezeigt ist, ist der Rotor mit Streifen oder Rohren abgestuft ausgebildet, um radiale Ausbiegbarkeit des Rotors und ausreichende magnetische Eigenschaften zu gewährleisten.

Antriebe des Spannungswellentyps, wie sie ursprünglich in der US-PS 29 06 143 dargestellt worden sind, weisen für gewöhnlich einen kreisringförmigen Zahnkranz, einen hierzu koaxialen, radial ausbiegbaren Zahnkranz etwas geringeren Durch­ messers (nachstehend Biegekeilverzahnung genannt), dessen Zähne bzw. Keile mit denjenigen des anderen Zahnkranzes kämmen, sowie Mittel auf, die in Umfangs­ richtung fortschreitend in der Biegekeilverzahnung eine elastische Verformungswelle erzeugen (Deformationserzeuger). Wegen des gegenseitigen Eingriffs der Zähne bzw. Keile an in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen, der die Folge der radialen Ausbiegung der Biegekeilverzahnung ist, und wegen der unterschiedlichen Anzahl von Zähnen auf den Zahnkränzen, wird eine Relativbewegung der Zahnkränze erzeugt.

Wenn die Deformationswellenerzeuger auf der Basis eines elektromagnetischen Feldes arbeiten, um die Ausbiegungen hervorzurufen, wie dies beispielsweise in der US-PS 31 69 201 und auch in der US-PS 33 31 974 beschrieben ist, ergibt sich ein schnell ansprechender Schrittmotor geringer Trägheit. Die die radiale Ausbiegung hervorrufende Kraft des Feldes wird in einen reversiblen Drehbewe­ gungsabtrieb in kleinen Schritten großer Genauigkeit umgewandelt. Das Antriebs­ moment ist der Anzahl der Impulse eines zugeführten Impulszuges direkt proportional. Außer einem außerordentlich hohen Beschleunigungs- und Bremsver­ mögen weisen Motoren dieses Typs Vorteile bezüglich anderer Kennwerte auf, wie zum Beispiel Schlupffreiheit, geringes "Überschwingen" sowie eine kurze "Aus­ schwingzeit". Eine hierzu brauchbare Geschwindigkeits-Steuereinrichtung ist beispielsweise in der US-PS 34 02 334 beschrieben. Eine andere Steueranordnung mit Mitteln zum Modulieren eines einem Schrittmotor des obengenannten Typs zuzuführenden Impulszuges ist beispielsweise in der US-PS 38 69 656 beschrieben.

Die Trägheit von Schrittmotoren des beschriebenen Typs ist gering, da lediglich der ausgebogene Teil der Biegekeilverzahnung (außer dem Magnetfeld selbst) eine Bewegung erfährt. Die Zähne der Biegekeilverzahnung befinden sich gewöhnlich auf der peripheren Außenfläche sehr dünnwandiger Rohre aus rostfreiem Stahl. Wie beispielsweise in der schon genannten US-PS 33 31 974 sowie in der US- PS 34 96 395 beschrieben ist, werden gewöhnlich die magnetischen und mechanischen Eigenschaften solcher Biegekeilverzahnungen oder Biegerotoren dadurch verbessert, daß ein gewickelter Überbrückungsstreifen oder konzentrische Rohre aus dünnem Stahl in diese Verzahnungen oder Rotoren eingesetzt werden. In der US-PS 36 09 423 sind außerdem verschiedene Formen solcher Überbrückungswindungen oder konzen­ trischer geschweißter Innenrohre beschrieben, die dazu dienen, den magnetischen Widerstand des Rotors zu verringern. Ein Bereich von sieben Wicklungen ferromagnetischen Materials mit jeweils einer Dicke von 0,009 cm bis fünf Wicklungen von jeweils 0,015 cm haben sich als Optimum erwiesen.

Es ist natürlich schon darauf hingewiesen worden, daß eine Biegekeilverzahnung maschinell herstellbar, elastisch sein sollte und in der Lage sein sollte, nach Abklingen der deformierenden Kraft ihre ursprüngliche Gestalt wieder anzunehmen. Es ist auch schon festgestellt worden, daß die Steifheit einer Biegekeilverzahnung der dritten Potenz ihrer Dicke oder Summe der dritten Potenzen der Dicken von Biegekeilverzahnung und den Windungen des überbrückenden Materials direkt proportional ist. Langjährige Erfahrungen in der Ausgestaltung, der Erprobung und im Einsatz von Biegekeilverzahnungen für die elektromagnetisch relevanten Teile von Spannungswellengetrieben haben gezeigt, daß ferromagnetische Metalle wie z. B. rostfreier Stahl des Typs 17-4 PH zufriedenstellende Ergebnisse bringen, und es wurde angenommen, daß die Verwendung von Biegekeilverzahnungen größerer Steifigkeit als sie Material von höchstens 0,015 cm bedingt, zu übermäßig großen Biegewiderständen führt, die soweit führen, daß ein Schrittmotor nicht mehr betriebsfähig oder wirtschaftlich einsetzbar wäre, da er nicht in der Lage wäre, ein entsprechendes Abtriebsmoment zu liefern. Es wurde daher angenommen, daß höhere Schrittraten nicht mit der Praxis vereinbar seien, und daß jegliche Vergrößerung der Schrittarten mit einer kürzeren Lebensdauer erkauft werden müssen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß er ein erhöhtes Drehmoment und eine höhere Schrittfrequenz bei einfacher Konstruktion aufweist.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schrittmotors, der keine Ab­ stufungen aufweist, wie noch der Schrittmotor der US-PS 33 31 974, sondern einen Rotor mit konstanter Wanddicke aufweist, wird eine höhere Schrittgeschwindigkeit verbunden mit einem vergrößerten Abtriebsmoment und eine längere Lebensdauer erreicht. Die einfache Konstruktion des erfindungsgemäßen Schrittmotors trägt dazu bei, daß die Kosten für einen solchen Motor nicht wesentlich größer sind als bei bekannten Motoren. Der Biegerotor bzw. die Biegekeilverzahnung arbeitet mit einer höheren Resonanzfrequenz, so daß eine größere Geschwindigkeit der Drehbewegung seines ausgebogenen Teils möglich ist.

In der weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schrittmotors wird ein rohrförmiger Biegerotor bzw. eine Biegekeilverzahnung zusammen mit einer koaxialen ringartigen Überbrückung verwendet, wobei die letztere ein Verhältnis von Gesamtwanddicke zum Außendurchmesser aufweist, das im wesentlichen das im wesentlichen dasselbe ist, wie bei dem Biegerotor oder bei der Biegekeilver­ zahnung selbst. Die Veränderungen sind von erheblicher praktischer Bedeutung, da sie wesentlich höhere Schrittraten in beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Druckmaschinen oder anderen Schrittschaltanordnungen zulassen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Schrittmotors des Spannungswellentyps, bei dem ein Viertel des Gehäuses weggeschnitten ist, um die inneren Teile sichtbar zu machen, wobei der Rotor in diesem Falle sowohl eine Wanddicke mit einer geeigneten Steifheit aufweist, als auch mit koaxialen Überbrückungsringen einer geeigneten entsprechenden Steifheit versehen ist.

Fig. 2 die Endansicht einer bekannten dünneren und nicht ausgebogenen Biegekeilverzahnung mit Überbrückungsmaterial (wobei die einzelnen Windungen nicht dargestellt sind), wie sie bisher in Motoren der in Fig. 1 gezeigten Art Verwendung finden.

Fig. 3 eine der Darstellung gemäß der Fig. 2 ähnliche Ansicht, wobei jedoch etwas übertrieben die neue vergrößerte Wanddicke der Biegekeilver­ zahnung gemäß Fig. 1 sowie zweier Überbrückungsrohre gezeigt ist, und wobei gestrichelt der äußere Umriß des Rotors eingezeichnet ist, wenn er elektromagnetisch zur Ellipse verformt wird.

Fig. 4 ein Diagramm für ein Ausführungsbeispiel einer Biegekeilverzahnung von 0,028 cm Wanddicke und ungefähr 4,06 cm Durchmesser, in dem ver­ schiedene Kennwerte bei verschiedenen Schrittraten für die Fälle mit und ohne Überbrückung eingetragen sind, wobei die Überbrückungsrohre, sofern verwendet, ebenfalls eine Wanddicke von 0,028 cm aufweisen.

Fig. 5 ein Diagramm, in dem als Versuchsergebnisse die Abhängigkeit des Abtriebsmoments eines Schrittmotors von verschiedenen Wanddicken (einschließlich der erhöhten Wanddicke, die sich bei den erfindungs­ gemäßen Wanddicken-Durchmesserverhältnissen ergeben), wenn eine Schrittschaltung mit erhöhter Geschwindigkeit erfolgt.

Fig. 6 ein Diagramm in doppelt logarithmischer Koordinatendarstellung, aus dem hervorgeht, wie die Erhöhung des Verhältnisses der Wanddicke zum Durchmesser des Biegerotors, d. h. größere Steifheit aufgrund von Wanddicken, die über der bei bekannten Anordnungen eingehaltenen Grenze von 0,015 cm liegen, einen Resonanzfrequenzbetrieb mit dementsprechend höherem Abtriebsmoment und höhere Schrittarten ermöglicht.

In der Fig. 1 ist eine mit 10 bezeichnete Rotoranordnung dar­ gestellt, die Bestandteil eines mit 12 bezeichneten Schritt­ motors des Spannungswellentyps ist. Die Anordnung 10 besteht aus einem Läufer bzw. einer becherförmigen Biegekeilverzahnung 14, die aufgrund elektromagnetischer Wirkung in radialer Rich­ tung aus ihrer spannungsfreien Zylinderform ausgebogen werden kann, und zwar mit Hilfe eines Steuerkreises, zu dem die in Um­ fangsrichtung angeordneten und sequentiell mit Strom versorg­ baren Statorwicklungen 16 gehören. Ein demgegenüber stationäres Motorgehäuse 18 weist Lager für die drehbare Abtriebswelle 20 auf, die koaxial zu der Biegekeilverzahnung 14 verläuft. Die Welle 20 ist mit der Biegekeilverzahnung gewöhnlich an dessen einem Ende fest verbunden und zwar mit Hilfe einer Lochscheibe 22, die einen Endabschluß bildet. Eine Biegekeilverzahnung dieser Ausbildung wird manchmal auch als "Biegebecher" bezeichnet. Der Rotor wird nachfolgend, wenn er keine Keilzähne aufweist als Biegerotor bezeichnet. Zufällige Dickeänderungen der Loch­ scheibe selbst haben sich, sofern sie in vernünftigen Grenzen bleiben, als für die radiale Steifheit des Biegerotors oder der Biegekeilverzahnung nicht ausschlaggebend erwiesen. In Überein­ stimmung mit der vorstehend erläuterten Praxis und wie dies beispielsweise in Fig. 1 des erwähnten US-Patentes 33 31 974 gezeigt ist, weist ein Gegenstück bzw. ein starrer ringförmiger Zahnkranz 24, der koaxial zur Welle 20 angeordnet ist, eine innenliegende axial verlaufende Keilverzahnung 26 (Fig. 1) auf, und ist mit dem Stator verankert, um mit den außenliegenden axial verlaufenden Keilzähnen 28 (Fig. 2, 3) der Biegeverzahnung zu kämmen. In Übereinstimmung mit der Technik bekannter Spannungs­ wellenantriebe ist die Anzahl der Zähne 28 der Biegekeilverzah­ nung um zwei (oder um ein Vielfaches davon) kleiner als die Zahl der Zähne 26, wenn die Biegekeilverzahnung durch die Wicklungen des Stators elektromagnetisch zu einem elliptischen Querschnitt ausgebogen wird, wie dies Fig. 3 zeigt. Dem Stator fortschreitend zugeführte Stromimpulse führen daher in Umfangsrichtung zu Ausbiegungen der Biegekeilverzahnung, wobei die sich am Ort der größeren Achse (X-X), (Fig. 3) befindlichen Zähne nach außen be­ wegt und in Eingriff mit den Zähnen des Zahnkranzes 24 gebracht werden, die im Bereich der kleineren Achse (Y-Y) liegenden Zähne hingegen nach innen bewegt und aus einem solchen Angriff genommen werden. Man erkennt, daß in diesem Falle die Ellipsenform und die Achsen der Biegekeilverzahnung eine Drehbewegung ausführen und der Welle 20 schrittweise ein stark reduziertes Abtriebs­ moment verleihen. Letztere kann natürlich in geeigneter Weise mit einer zu betätigenden oder zu steuernden Einrichtung ge­ koppelt sein.

Bisher bestand die Biegekeilverzahnung meist unverändert aus rostfreiem Stahl und wies eine Dicke in der Größenordnung von 0,013 cm (in Fig. 2 vergrößert dargestellt) auf. Ihre Steifheit und dementsprechende radiale Auslenkbarkeit ergab dann eine Resonanzfrequenz von ungefähr 600 Hz und eine demnach erzielbare maximale Schrittrate von 5000 Hz, wie dies in Fig. 6 angegeben ist. Die verwendeten Metalle sollen natürlich einen hohen Sättigungswert, hohe Induktion, sowie eine große Ermü­ dungsfestigkeit aufweisen.

Erfindungsgemäß und im Gegensatz zu den bekannten Ausführungs­ formen bekannter Schrittmotoren des Spannungswellentyps können wesentlich größere Abtriebsmomente und beträchtlich höhere Schrittraten (doppelt und mehr) bei gleichzeitig besserem Wir­ kungsgrad dadurch erzielt werden, daß die Steifheit bzw. der "Widerstand" gegen radiale Ausbiegung des Biegerotors bzw. der Biegeverzahnung 10 demgegenüber verändert, d. h. vergrößert wird. Die Erfindung, die eine unerwartet große Verbesserung bringt, welche sich aus einer größeren Wandstärke und damit Steifheit ergibt, läßt sich auf verschiede Art realisieren. Sie unterscheidet sich grundsätzlich und eindeutig von bekannten Schrittmotoren des Spannungswellentyps, indem dem Biegerotor bzw. der Biegekeilverzahnung 14 einschließlich einer koaxialen Brücke 30 ein Verhältnis von Wandstärke zum Außendurchmesser im Bereich von ungefähr 0,5% bis annähernd 2% gegeben wird. (Das vergleichbare Verhältnis bekannter dünnwandiger Rotoren ist kleiner.) Demnach ist, wie beispielsweise die Fig. 5 zeigt, das höhere Abtriebsdrehmoment, das sich mit einer Wandstärke von 0,018 cm und mehr erzielen läßt (ohne Brücke 30 jedoch bei im wesentlichen konstantem Außendurchmesser) ganz offensichtlich. Die Verwendung dickerer Wandungen des Biegerotors bzw. der Biegekeilverzahnung 28 und der Brücke 30 (sofern vorhanden) als bisher, um den neuen Grad vergrößerter Steifheit und dem­ entsprechend größerer Maßverhältnisse des Rotors, wie oben an­ gegeben, zu erzielen, ermöglicht einen Betrieb des Schrittmotors wie er in Fig. 6 veranschaulicht ist, bei dem die Rotoranord­ nung bei höherer Eigenresonanzfrequenz und damit höherer entsprechender Schrittrate arbeitet.

Fig. 4 zeigt typische Werte eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Schrittmotors des Spannungswellentyps, bei dem die Wanddicke der Biegekeilverzahnung 0,028 cm und das Verhältnis von Wanddicke zu Außendurchmesser der Biegekeil­ verzahnung 0,65% beträgt. Das untere Diagramm der dreiteiligen Figur, wonach sich die Schrittraten bis zu 9000-10 000 Hz erstrecken, zeigt unter Annahme einer gesteuerten Eingangsgröße das Antriebsdrehmoment

• a) für den Fall, daß die Biegekeilverzahnung selbst den Rotor darstellt,
• b) daß die Biegekeilverzahnung zusammen mit einem einzigen Brücken­ rohr 30 von 0,028 cm verwendet ist, so daß eine Gesamtwanddicke von 0,056 cm vorliegt,
• c) daß die Biegekeilverzahnung zusammen mit zwei Brückenrohren von 0,028 cm verwendet ist, so daß eine Gesamtwanddicke von 0,084 cm vorliegt.

Das mittlere Diagramm der Fig. 4 zeigt die entsprechende Strom­ zufuhr für die einzelnen Motorausführungsformen. Man erkennt, daß die Brücke 30 bis zu einer gewissen Grenze zur Erhöhung des An­ triebsdrehmoments beiträgt. Insbesondere erkennt man, daß in Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre die Gesamtdicke der Brücke (ob nun eine Wicklung oder ein Rohr 30 oder mehrere derselben verwendet werden) die annähernd gleiche Gesamtwandstärke und damit gleiche Eigenresonanzfrequenz und Geschwindigkeitsgrenze haben sollte, wie der Biegerotor bzw. die Biegekeilverzahnung 14. Bei einer gegebenen Gesamtbrücken­ dicke sollte die Dicke der einzelnen Brückenschichten nahezu gleich sein was zu gleichen Resonanzfrequenzen führt.

Fig. 6 zeigt in doppelt logarithmischem Koordinatenmaßstab die empirisch ermittelten Resonanzfrequenzen für verschiedene Rotordicken sowie die entsprechenden Höchstgeschwindigkeiten.

Man erkennt, daß eine vergrößerte Rotorsteifheit, die sich beispielsweise ergibt, wenn das Verhältnis von Rotordicke und Rotordurchmesser in den Bereich von 0,5%-2% kommt, eine größere Abtriebsleistung als bei üblichen Motoren sowie einen besseren Wirkungsgrad bei der Eigenresonanzfrequenz ermöglicht.

Claims (2)

1. Schrittmotor des Spannungswellentyps mit einem becherförmigen Rotor, mit einer Wanddicke von nicht mehr als 0,015 cm und mit einem Verhältnis von Wanddicke zu Durchmesser des Rotors von 0,25% und mit einer Ausgestaltung des Rotors zur Beibehaltung der radialen Ausbiegbarkeit sowie zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgestaltung in einer ver­ größerten Wanddicke des Rotors besteht, wobei das Verhältnis von Wanddicke zu Durchmesser zwischen 0,5% und 2% liegt.

2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine oder mehrere koaxiale Brückenröhren (30), deren Wanddicken im wesentlichen gleich jenen des Rotors sind.