DE2953083A1

DE2953083A1 - Vorrichtung mit linear- und rotationsbewegung, insbesondere elektromagnetischer schrittmotor

Info

Publication number: DE2953083A1
Application number: DE19792953083
Authority: DE
Inventors: W Conrad Coleman
Original assignee: IMC Magnetics Corp
Current assignee: IMC Magnetics Corp
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1979-04-12
Publication date: 1981-01-22
Also published as: GB2050072B; EP0004995A1; FR2492185B1; JPS54161008A; FR2492185A1; CA1121431A; GB2050072A

Description

NACHgEREICHT

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Vorrichtung mit Linear- und Rotationsbewegung, insbesondere elektromagnetischer Schrittmotor

Die Erfindung betrifft elektromagnetisch betätigbare Geräte, insbesondere Betätigungseinrichtungen oder Motoren dieser Wirkungsweise, welche sowohl linear als auch im Drehsinne antreibbar sind und sich insbesondere als Schrittmotoren von kombinierter Linear- und Rotationsbewegung eignen.

Drehbare Schrittmotoren sind allgemein bekannt und werden in verschiedenartigen technischen Gebieten verwendet. Nach einer Ausführungsform besitzt ein derartiger Schrittmotor eine Wirkungsweise mit 200 einzelnen Bewegungsschritten, wobei der Motor "einen gezahnten Rotor und einen Stator mit Polstücken aufweist, welche für diese Anzahl von Schrittbewegungen geeignet sind. Es wird hierbei auf die US-PS 2 931 929, 2 982 872 und 3 434 014 hingewiesen. Schrittmotoren werden im allgemeinen im Zusammenhang mit digitaler Ausrüstung verwendet, derart, dass Impulse am Schrittmotor angelegt werden und dieser als Betätigungseinrichtung wirkt.

Lineare elektromagnetische Antriebe sind gleichfalls bekannt, wobei derartige Geräte linear bewegbare Ankerkörper oder Läufer mit Zähnen aufweisen, welche einem Stator mit Polstücken und Wicklungen zugeordnet sind. Die Wicklungen sind erregbar, um den bewegbaren Körper in seiner Längsrichtung zu verlagern. Eine derartige Anordnung ist in der US-PS 3 894 275 beschrieben.

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Es sind auch Einrichtungen mit Motoren oder Positionsmechanismen bekannt, welche kombiniert im Drehsinn und linear bewegbar sind. Es wird hierbei auf die US-PS 3 394 295, 3 430 120, 3 441 819, 3 745 433, 3 851 196 und 3 889 165 hingewiesen. In der letztgenannten Patentschrift ist ein zylindrischer bewegbarer Körper beschrieben, welcher sowohl Zähne an der Innenseite als auch an der den Statoreinheiten zugeordneten Aussenseite aufweist, wobei die Statoreinheiten Wicklungen tragen, welche so angeordnet sind, dass sie sowohl eine Längsbewegung als auch eine Drehbewegung auslösen.

Alle Vorrichtungen der vorgenannten bekannten Art unterliegen dem Nachteil fehlender spezifischer Effektivität bzw. Wirksamkeit, sie sind nachteilig hinsichtlich einfachen Aufbaues und hinsichtlich kompakter Beschaffenheit der baulichen Teile, welche für die Linearbewegungen und Drehbewegungen benötigt sind.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art weiter zu verbessern, derart, dass ein verbessertes Antriebsgerät mit Linearbewegung und Rotationsbewegung gebildet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale nach dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 gelöst.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird diese in Form eines Schrittmotors mit Linearbewegung und Rotationsbewegung verwendet. Ein längszylindrischer, beweglicher Anker- oder Bewegungskörper ist vorgesehen, welcher sowohl

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NACHOiEREICHT

axial als auch in Winkelbeziehung bewegbar ist. Dieser Körper ist an seiner Oberfläche mit Zähnen versehen, welche sowohl in axialen Reihen als auch am Umfang in fluchtenden Reihen zueinander ausgerichtet sind. Eine Statoreinrichtung besitzt vorzugsweise die Form mehrerer geschichteter Statorkörper mit radialen Polen und Wicklungen, die den einzelnen Polen zugeordnet sind. Mit Hilfe einer derartigen Konstruktion sind sowohl unter Winkelabstand bestehende Pole als auch unter axialem Abstand bestehende Pole vorgegeben, wobei die Beziehung zwischen der Anzahl der Statorpolstücke und der Anzahl der Polstücke am bewegbaren Körper in nachfolgend ausführlich beschriebener Weise vorgesehen ist.

Die Anordnung der der Statoranordnung zugeordneten Wicklungen ist so getroffen, dass axial Abstand aufweisende Wicklungen ei— regbar sind, um den bewegbaren Körper bzw. den Rotor oder Läufer axial in eine Position minimaler Reluktanz zwischen seinen Zähnen und den Statorpolstücken zu verlagern. Die Anordnung der Wicklungen bezüglich der 'Zähne am bewegbaren Körper ist fernerhin so gewählt, dass Winkelabstand aufweisende Wicklungen derart erregbar sind, dass sich der bewegbare Körper um seine Achse drehen lässt. Das Gerät ist infolgedessen geeignet, gleichzeitig axiale Bewegungen und Schwingbewegungen bzw. eine sogenannte "Tauch"-Bewegung zu vollführen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;

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NAOHOEREICHT

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Fig. 2 ist eine isometrische Darstellung der Statoranordnung und des Ankers bzw. bewegbaren Läufers der Vorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht von Linie 3-3 in Fig. 1; und

Fig. 4 ist eine Darstellung der Schaltungsanordnung zum Zwecke der Steuerung durch einen Rechner oder Computer.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung ist ein zylindrisches Gehäuse 10 dargestellt, innerhalb welchem sich die Bauteile der Vorrichtung nach der Erfindung befinden. Gemäss Darstellung ist das Gehäuse zylindrisch und besitzt einen integralen Endteil 12 mit einer Axialbohrung 14. Das andere Ende ist mit einem Endkörper 16 versehen, dessen Durchmesser am Ende, wie bei 17 dargestellt, abgeschrägt ist, derart, dass der Endteil des Gehäuses 10 über die Abschrägung gebördelt werden kann, wie bei 18 dargestellt ist. Der Endkörper 16 weist seinerseits eine Axialbohrung 24 auf.

Im Gehäuse 10 befindet sich eine Kammer bzw. Bohrung 26. Koaxial im Gehäuse 10 ist ein bewegbarer Körper bzw. ein Läufer oder Anker 39 aus magnetischem Material angeordnet. Der Anker 30 ist in linearen Lagern 32 und 34 gelagert, die sich in den Bohrungen 14 und 24 befinden. Die glatten Flächen des bewegbaren Ankers oder Läufers 30 sind so in die Lager eingesetzt, dass sich der Anker frei axial als auch in Winkelrichtung bewegen lässt.

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Die Oberseite des Läufers 30 weist Zähne auf, welche unter Winkelversetzung oder Fluchtung ausgerichtet sind, so wie die Zähne 40 nach Fig. 3. Sechs Winkelabstand besitzende Zähne sind dargestellt, obwohl im Rahmen der Erfindung in Verbindung mit bekannten Schrittmotoren auch eine andere Anzahl von Zähnen möglich ist.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, sind mehrere Reihen am Umfang angeordneter, Winkelabstand besitzender Zähne vorgesehen. Die am Umfang sich erstreckenden Reihen von Zähnen besitzen gleichen axialen Abstand, wodurch auch axiale Reihen von Zähnen bestehen. In Fig. 2 ist auf eine der Reihen 44 hingewiesen.

Eine Gehäuse- oder Statoranordnung mit Wicklungen ist gleichfalls in der Zeichnung dargestellt. Die Statoranordnung weist in einer Ausführungsform mehrere laminierte bzw. geschichtete Statorkerne 50a, 50b und 50c auf. Jeder der Statorkerne besteht aus einem magnetischen, geschichteten Material. Die Statoi— kerne sind unter axialem Abstand vorgesehen, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wobei zylindrische Abstandskörper zwischen ihnen ausgebildet sind. Es wird auf die Abstandskörper 52 und 54 in Fig. 1 hingewiesen.

In Fig. 3 ist die Formgebung der Statoreinheit 50a im einzelnen dargestellt. Die Statoreinheit weist einen ringförmig ausgebildeten Teil 58 auf, welcher radial sich erstreckende Pole (Fig. 3) aufweist. Um jeden der Pole ist eine Statorwicklung gelegt. Obwohl im dargestellten Ausführungsbeispiel eine vor-

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NACHQEREICHTI

bestimmte Anzahl von Statorpolen und eine vorbestimmte Anzahl winklig unter Abstand angeordneter Zähne am Anker wiedergegeben sind, können auch unterschiedliche Anzahlen von Polen und Zähnen und unterschiedliche Beziehungen vorgesehen sein. In dem Maß, in welchem der bewegbare Körper oder Anker winklig bewegbar ist, kann er natürlich als Rotor bezeichnet werden. Die relative Anzahl von Statorpolen und Rotorzähnen zum Zwecke der Durchführung einer Winkel bewegung kann in bekannter Weise gewählt sein. So kann entsprechend auch der axiale Abstand oder Umfangsabstand von Zähnen beträchtlich verändert werden. Die Innenenden der Pole des Stators bilden eine Öffnung, in welcher der bewegbare Körper bzw. Anker winklig und axial bewegbar ist, wie dies aus der Zeichnung hervorgeht. Die Umfangsflächen der Zähne am bewegbaren Körper 30 bewegen sich nahe der inneren Enden der Pole des Statorkörpers.

Wie vorstehend erwähnt ist, ist der bewegbare Körper oder Rotor in Linearlagern geführt, welche sowohl eine Axialbewegung als auch eine Winkel bewegung zulassen.

Die Wirkungsweise wird zunächst bezüglich linearer Bewegungen erläutert. Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, fluchtet eine winklige Reihe von Zähnen am Körper 30 mit den Enden von Polen des Statorkörpers, welcher in einer Position nur durch den Statorkörper 50b gegeben ist. Die Reihen winklig angeordneter Zähne aller anderen Positionen besitzen bezüglich der Innenenden der Endpole an den Statorkörpern eine Fehlfluchtung. Die Versetzung oder Fehlfluchtung der Zähne entspricht dem Ausmaß einer Schrittbewegung. Einander entgegengesetzte Wicklungen oder

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NACHGEKEICHT

Windungen in einer voneinander getrennten Schaltung bilden jeweils eine Phase. Dieses Prinzip der Wirkungsweise ist das des bewegbaren Körpers und der Pole der Statoreinheiten. Falls einige oder alle der Windungen des Statorkerns 50a erregt sind, dann bewegt sich der Körper 30 nach links in eine Position minimaler Reluktanz, wobei ein Ring unter Winkelabstand angeordneter Zähne am Körper 30 mit den Innenenden der Statorpolstücke des Stators 50a in Fluchtung gelangt. In vergleichbarer Weise kann der Rotor 30 eine Linearbewegung in der anderen Richtung vollziehen, d.h. nach rechts. Es ist ersichtlich, dass das Gerät schrittweise bewegbar ist, d.h. als Schritteinheit, wenn elektrische Impulse an bestimmten Statorwicklungen angelegt werden. So kann das Gerät in digitalen Systemen benutzt werden, d.h. hinsichtlich der Aufnahme digitaler Eingänge oder Befehle und hinsichtlich der Erzeugung digitaler Ausgänge. In der Praxis werden die Wicklungen durch einen Rechner oder Computer gesteuert, welcher jeweils die zu erregenden Wicklungen bestimmt, um die erwünschten Bewegungen einschliesslich kombinierter Winkel- und Linearbewegung zu verursachen.

Es wird hinsichtlich der Winkel bewegungen des Rotors 30 nachfolgend auf die Fig. 2 und 3 hingewiesen. Das Gerät arbeitet nach dem Prinzip minimalen magnetischen Widerstandes auch in Winkelbeziehung. In der Position des Gerätes nach Fig. 3 ist ersichtlich, dass axiale Reihen von Zähnen an den entgegengesetzten Seiten des Rotors 30 mit Statorpolstücken in Fluchtung sind. Um eine Winkel bewegung hervorzurufen, werden den Statorpolstücken an den entgegengesetzten Seiten des Rotors 30 zugeordnete Statorwicklungen erregt. So werden beispielsweise in der Ausführungsform nach Fig. 3 die den Polen 60 und 60* zugeordneten

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NACHQEREICHT

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Wicklungen erregt, wodurch sich der Rotor 30 im Uhrzeigersinn dreht und die Zähne am Körper 30 mit den Polen 60 und 60* in Fluchtung gebracht werden. Diese Bewegung ist als Schrittbewegung anzusehen. Auf diese Weise können nur die Wicklungen einer der Statoranordnungen 50 erregt werden, obwohl entsprechende Wicklungen von mehr als einer der Statoreinheiten gleichzeitig erregbar sind, um die Winkel-Schrittbewegung auszulösen. Der Rotor oder Körper 30 bewegt sich in die Position minimalsten magnetischen Widerstandes.

Die Winkelbewegung und die axiale Bewegung des Körpers 30 können gleichzeitig durchgeführt werden, wobei man diese Bewegung als "Tauch"-Wirkung bezeichnet.

Es können verschiedene Arten von Erregerschaltungen verwendet werden, einschliesslich der bereits bekannten. Schaltungen, welche nur zur Erzeugung von Winkel bewegungen dienen, erzeugen Impulse, welche wie vorstehend erwähnt an vorbestimmten Statorwicklungen angelegt werden, wobei das Anlegen der Impulse typisch ist zur Erzeugung winkliger Schrittbewegungen. Axiale Bewegungen werden erzeugt, indem man mit Hilfe von Schaltungen Impulse an axial unter Abstand angeordneten Wicklungen anlegt, wie vorstehend erläutert ist.

Um eine kombinierte Axial- und Winkel bewegung auszulösen, werden beispielsweise diametral gegenüberliegende, dem Stator 50a zugeordnete Wicklungen erregt, so dass der Körper 30 eine Position minimaler Reluktanz sowohl in axialer Richtung als auch in Winkel richtung einnimmt. So kommt der Rotor oder Körper

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NACHQEREICMTJ

mit erregten Polen in Fluchtung, indem er sich sowohl in Winkelrichtung als auch axial in die Position minimalen magnetischen Widerstandes bzw. minimaler Reluktanz verlagert. Axialbewegungen in entgegengesetzter Richtung können durch Erregen der Wicklungen des Stators 50c ausgelöst werden. Es kann jede beliebige Anzahl von Statoreinheiten mit zugeordneten Wicklungen vorgesehen sein. Die Winkel bewegungen werden durch Erregen vorbestimmter Wicklungen eines oder mehrerer vorbestimmter Statoreinheiten ausgelöst. Axialbewegungen werden durch Erregen der Wicklungen der geeigneten Statoreinheit hervorgerufen, während kombinierte Axial bewegungen und Winkelbewegungen durch gewählte Erregung der Wicklungen hervorgerufen werden, wie vorstehend zum Ausdruck gebracht wurde.

In der vorbeschriebenen Weise kann ein Rechner oder Computer Anschlüsse der fünf beispielhaft wiedergegebenen Anschlüsse

nach Fig. 4 einspeisen, so dass der bewegbare Körper oder Anker durch axiale Bewegungen, Winkel bewegungen oder kombinierte Bewegungen in jede erwünschte vorbestimmte Lage bringbar ist.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, dass bei Verwendung des bewegbaren Körpers oder Ankers 30 Grenzschalter oder Endschalter nicht erforderlich sind. Wenn der Rotor oder Körper 30 sich in eine Position bewegt hat, in welcher er mit einer glatten Fläche dem Ende der Pole der Statoreinheit 50a gegenüberliegt, dann kann sich diese Statoreinheit nicht weiterbewegen. Diese Charakteristik macht es möglich, die Position des bewegbaren Körpers 30 zu finden bzw. zu lokalisieren, wenn die Steuerung nach Maßgabe eines Computers geschieht und dieser

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seine Speicherung verlieren sollte. Die Position des bewegbaren Körpers 30 ist in der vorgeschriebenen Weise lokalisierbar, d.h. durch Eingabe von Impulsen, bis der Körpersich in einer Position befindet, in welcher er nicht länger bezüglich des Stators 50a bewegbar ist. In der schematischen Darstellung sind durch Steuerung der Statoreinheiten 50b und 50c zwei weitere Schritte möglich.

Mit Hilfe der erfindungsgemässen Anordnung können Bewegungen ausgelöst werden, welche sich als kombinierte Linearbewegungen und Drehbewegungen von Linearbewegungen oder Drehbewegungen per se unterscheiden und dadurch eine Funktion vermitteln, welche in bisher nicht bekannter Weise einer Computersteuerung zugängig ist.

Vorstehend wurde eine besondere Ausführungsform nach der Erfindung erläutert. Es sind auch weitere bauliche Abänderungen möglich, so hinsichtlich der Anzahl der Zähne und hinsichtlich ihrer Winkellage und Axialbeziehung. Es ist auch eine Variation hinsichtlich der Anzahl der Pole an den Statoreinheiten, hinsichtlich der Relativlage der Statoreinheiten etc. möglich.

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Claims

NACHGCRQCHT

Licht, Schmidt, Hansinann, Patentanwälte

Herrmann, Baumann Μ*ΐ^ί*^β££Ζρ^οα<»

^ Ißecjf. -IK 23. 8.S0 ^2953083

PattntanwiNe UcM. Schmidt Hanemann, Harrmann. Baumann ' DipHng. Martin Licht

Albert-HoW-uptor-Slr. 65 8000 München 70 _{Df Reinhok}, _Schmidt

Dipl.-Wirtsch.-lng. Axel Hansmann

..._.. .. _ .. Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

IMC Magnetics Corporation DipL-Phys. Eduard Baumann

6058 Walker Avenue

Maywood, Calif.90270 Albert-Roßhaupter-Str. 65

8000 München 70

IJ S A

* ' Telefon: (089) 7603091

Telex: 5212 284 patsd Telegramme: UpaW München

Ein hier angegebenes Zeichen bitte stets angeben

Ihr Zeichen: Unser Zeichen:

Your rat.: Ourrel.:

Pleas· reler always to an above-indicated rel.

3. Juli 1980 Ho/Lü

PATENTANSPRÜCHE

1 .) Vorrichtung mit Linear- und Rotationsbewegung, insbesondere elektromagnetischer Schrittmotor, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen ersten Körper (30) aufweist, welcher entlang seiner Achse axial gerichtet als auch im Winkelsinn bewegbar ist, wobei an der Aussenfläche des Körpers (30) Zähne (40) vorgesehen sind, welche sowohl als axialen Abstand besitzende Zähne als auch als Winkelabstand aufweisende Zähne ausgerichtet sind, dass die Vorrichtung eine Statoranordnung (50a, b, c) mit Polstücken (60) und Wicklungen (62) umfasst, wobei die Statoranordnung eine mittige, kreisförmige Öffnung aufweist, in welcher sich der bewegbare Körper (30) befindet, derart, dass sich die Zähne (40) des bewegbaren Körpers nahe zu den Polstücken der Statoranordnung bewegen können, dass die Polstücke und Wicklungen der Statoranordnung unter axialem Abstand vorgesehen sind, derart, dass bei

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Bayerische Vereinsbank München. Kto.-Nr. 882495 (BLZ 700202 70) ■ Deutsche Bank München. Kto.-Nr. 82/06050 (BLZ 70070010)

Postscheckamt München.Kto.-Nr 163397- 802 (BLZ 70010080)

NACHQEREICHT

Erregen gewisser axialen Abstand aufweisender Statorwicklungen der bewegbare Körper (30) in Axial richtung verlagerbar ist, und dass durch Erregen von Winkelabstand aufweisenden Statorwicklungen der bewegbare Körper (30) um seine Achse drehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Erregen gewisser axialen Abstand besitzender Wicklungen und durch Erregen gewisser Winkelabstand besitzender Wicklungen eine gleichzeitige Axial- und Winkel bewegung auf den bewegbaren Körper (30) übertragbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (40) am bewegbaren Körper (30) in Reihen angeordnet sind, welche als Axial reihen bestehen, als auch Zahnreihen, welche unter Winkelabstand am Aussenumfang angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Statoranordnung axialen Abstand aufweisende Polstücke enthält, und dass den Polstücken Wicklungen zugeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder bestimmten Position des bewegbaren Körpers die Anzahl der Winkelabstand aufweisenden Polstücke eine vorbestimmte Beziehung zur Anzahl der Winkelabstand aufweisenden Zähne am bewegbaren Körper besitzen.

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