DE3043233C2

DE3043233C2 -

Info

Publication number: DE3043233C2
Application number: DE19803043233
Authority: DE
Inventors: Gerd 6900 Heidelberg De Ruff
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1980-11-15
Filing date: 1980-11-15
Publication date: 1988-06-23
Also published as: DE3043233A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor gemäß Oberbe griff des ersten Patentanspruchs.The invention relates to a stepper motor according to Oberbe gripped the first claim.

Aus der DE-OS 25 25 036 ist ein Motor bekannt, welcher die genannten Merkmale aufweist. Im Betriebszustand bilden Rotor- und Statorzahnkranz mittels der elektromagnetischen Spulen eine kraftschlüssige Verbindung, die Drehbewegung des Rotors wird über eine flexible Scheibe auf die Abtriebs welle übertragen. Wird der Motor abgeschaltet, dann löst sich der Rotor vom Stator und es entsteht zwischen diesen eine Spielfreiheit, die dazu führt, daß bei genügend großem Abstand Rotor-Stator der Rotor frei durchdrehen kann. Bei relativ geringem Rotor-Stator-Abstand bleibt der Ro torzahnkranz teilweise in Eingriff zum Statorzahnkranz, so daß ein freies Durchdrehen des Rotors nicht möglich ist. Ein geringer Reibkoeffizient der Verzahnung und ein großer Zahnflankenwinkel ermöglichen jedoch beim Einwirken eines äußeren Moments auf den Rotor eine Taumelbewegung des Rotors und somit ein Verdrehen in bezug auf den Stator. Bei be stimmten Anwendungsarten, insbesondere bei Stellantrieben, ist aber ein Verdrehen des Rotors nicht erwünscht bzw. führt zu Fehlmessungen.From DE-OS 25 25 036 a motor is known which has the features mentioned. Form in the operating state Rotor and stator ring gear by means of the electromagnetic Coils a positive connection, the rotary movement the rotor is attached to the output via a flexible disk wave transmitted. If the engine is switched off, then it releases the rotor from the stator and it arises between them a freedom of play that leads to the fact that with a sufficiently large Distance rotor-stator the rotor can turn freely. With a relatively small rotor-stator distance, the Ro remains gate ring gear partially engaged with the stator ring gear, see above that a free spinning of the rotor is not possible. A low coefficient of friction of the teeth and a large one However, tooth flank angles allow one to act external torque on the rotor a wobble of the rotor and thus twisting with respect to the stator. At be agreed types of application, especially for actuators, but twisting of the rotor is not desired or leads to incorrect measurements.

In der DE-PS 17 63 078 wird ein Schrittmotor mit Taumelscheibe und Zahn kränzen beschrieben, bei dem in einer weiteren Abwandlung (Fig. 7 und 8) der Statorpole ein Magnetring als Basis für den Magnetkern verwendet wird. Der Magnetring ist dabei über Zonen permanent magnetisiert, um ab wechselnd Nord- und Südpole zu schaffen. Die Nord- und Südpole fallen mit den Stellungen zusammen, an denen magnetisch permeable Polstücke an dem Magnetring angebracht sind. Die Feldwicklungen sind um die nach oben ragenden Polstücke gewickelt.DE-PS 17 63 078 describes a stepper motor with a swash plate and toothed ring, in which, in a further modification (FIGS . 7 and 8) of the stator poles, a magnetic ring is used as the basis for the magnetic core. The magnetic ring is permanently magnetized across zones to create alternating north and south poles. The north and south poles coincide with the positions at which magnetically permeable pole pieces are attached to the magnetic ring. The field windings are wound around the upward pole pieces.

Die Anordnung ergibt eine magnetische Sperrklinke, die die Taumelscheibe mit den ihr am nächsten gelegenen Polen in Berührung hält, wenn die Er regung der Phasen aufhört, da sich die auf die Taumelscheibe ausgeübte Anziehungskraft umgekehrt mit dem Quadrat des Abstands des Pols zu der selben ändert. Hierdurch wird die Taumelscheibe über die Zahnkränze an den Motor festgehalten. Hier müssen die Statorpole als Permanentmagnete ausgebildet sein.The arrangement results in a magnetic pawl that holds the swash plate keep in touch with the closest Poles when the Er phase ceases because the swashplate is exerted Attraction inversely with the square of the distance of the pole to that same changes. As a result, the swash plate is on over the sprockets held the engine. Here the stator poles have to be permanent magnets be trained.

Weiterhin ist aus der DE-AS 25 17 974 ein Schrittmotor bekannt, bei dem nach dem Abschalten der Elektromagnete durch eine Membran ein Haltemoment erzeugt wird, in dem sich die Membran an die Laufflächen eines Laufrings anlegt. Hierdurch wird der Umlauf der Membran gesperrt. Bei diesem Schritt motor ist das Haltemoment bei Motorstillstand gering.Furthermore, a stepper motor is known from DE-AS 25 17 974, in which after switching off the electromagnets through a membrane, a holding torque is generated by the membrane on the treads of a race creates. As a result, the circulation of the membrane is blocked. At this step motor the holding torque is low when the motor is at a standstill.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmotor zu schaffen, bei dem während des Motorstillstandes auf den Rotor ein Haltemoment ausgeübt wird, wobei die Nachteile der bekannten Klemmvorrichtungen ver mieden werden.The invention has for its object to provide a stepper motor with a holding torque on the rotor while the motor is at a standstill is exercised, the disadvantages of the known clamping devices ver be avoided.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im ersten Patentanspruch gelöst. This object is achieved by the characterizing features in the first claim solved.

Der Schrittmotor beinhaltet eine mit einem Elektromagne ten aufgebaute Klemmvorrichtung. Diese benötigt keine zu sätzliche Stromversorgung, da die Erregerspule der Klemmvor richtung mit den Spulen der Motor-Elektromagnete gekoppelt werden kann. Die Erregerwicklung ist nur bei Betrieb des Mo tors wirksam und gibt dann den Rotor frei. Vorzugsweise ist die axiale Kraft im Ruhezustand des Motors die Kraft einer in der Klemmvorrichtung vorhandenen Feder, welche die Fixie rung des Rotors in einer vorbekannten Lage bewirkt. Die Fe derkraft kann so gewählt werden, daß ein erforderliches Hal temoment des Motors erreicht wird. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß durch die kraftschlüssige Verbindung Rotor-Stator im Ruhezustand eine Beschädigung der Zähne durch Vibration oder Stoß vermieden wird.The stepper motor includes one with an electro magnet constructed clamp. This does not need to additional power supply because the excitation coil of the clamp direction coupled with the coils of the motor electromagnets can be. The excitation winding is only possible when the Mon effective and then releases the rotor. Preferably the axial force at rest of the engine is the force of a existing spring in the clamping device, which the fixie tion of the rotor in a known position. The Fe derkraft can be chosen so that a required Hal torque of the motor is reached. Another advantage this arrangement is that by the non-positive Damage to rotor-stator connection when idle the teeth are avoided by vibration or impact.

Anhand der Zeichnungen sollen Ausführungsbeispiele der Er findung näher erläutert werden. Es zeigtBased on the drawings, embodiments of the Er invention are explained in more detail. It shows

Fig. 1 - einen Schnitt durch einen Schrittmotor mit starrem Taumelscheibenrotor, Fig. 1 - is a section through a stepping motor with a fixed swash plate rotor,

Fig. 2 - einen Schnitt durch einen Schrittmotor mit flexiblem Rotor, Fig. 2 - is a section through a stepping motor with flexible rotor,

Fig. 3 - ein Schaltbild der Ansteuerung der Klemm vorrichtung. Fig. 3 - a circuit diagram of the control of the clamping device.

Die schematische Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt einen Statorgrundkörper 1 auf dem eine Vielzahl von U-förmigen Elektromagneten 2 konzentrisch zu einer Abtriebswelle 10 angeordnet sind.The schematic illustration of FIG. 1 shows a stator base 1 on which a plurality of U-shaped electromagnet 2 are arranged concentrically to a driven shaft 10.

Am Statorgrundkörper 1 ist an einer Stirnfläche eine Ver zahnung 4 aufgebracht, die mit einer Verzahnung 5 eines Rotors 6 in Eingriff gebracht werden kann. Der Rotor 6 ist als starre Scheibe ausgebildet und besitzt, falls diese aus nicht-permeablem Material besteht, einen Rückschluß ring 7, der das Anziehen des Rotors 6 auf den Stator 1 er möglicht.On the stator body 1 , a toothing 4 is applied to an end face, which can be brought into engagement with a toothing 5 of a rotor 6 . The rotor 6 is designed as a rigid disc and, if it consists of non-permeable material, has a yoke ring 7 , which enables the rotor 6 to be tightened onto the stator 1 .

Die Fixierung des Rotors 6 geschieht hier mittels eines kipp- und drehbaren Pendelgleitlagers 8, dessen Innenring 9 starr auf der Abtriebswelle 10 befestigt ist. Diese Ab triebswelle ist mit zwei Kugellagern 12 an dem Statorgrund körper 1 gelagert. Der Rotor 6 ist mittels eines Membran balgs 11 mit der Welle 10 verbunden. Dieser Membranbalg 11 ermöglicht eine Taumelbewegung des Rotors und durch die hohe Torsionssteifigkeit eine genaue Übertragung der Rotorbewe gung auf die Abtriebswelle 10.The rotor 6 is fixed here by means of a tiltable and rotatable spherical plain bearing 8 , the inner ring 9 of which is rigidly attached to the output shaft 10 . From this drive shaft is mounted with two ball bearings 12 on the stator body 1 . The rotor 6 is connected to the shaft 10 by means of a diaphragm bellows 11 . This diaphragm bellows 11 enables a wobbling movement of the rotor and, due to the high torsional rigidity, an exact transmission of the rotor movement to the output shaft 10 .

Um ein Drehen des Rotors 6 zu ermöglichen, besteht zwischen Rotor- und Statorzähnezahl eine Differenz von mindestens einem Zahn. Durch ein umlaufendes Zu- und Abschalten der Magnete 2 wird der Rotorzahnkranz 5 partiell in Eingriff mit dem Statorzahnkranz 4 gebracht; dadurch führt der Rotor 6 eine taumelnde Bewegung gegenüber dem Stator 1 aus, wobei bei jedem Umlauf der Taumelbewegung durch die Ansteuerung der Magnete 2 eine Drehung des Rotors 6 um einen der Diffe renz der Zähnezahl zwischen Rotor 6 und Stator 1 entspre chenden Winkel bewirkt wird. In order to enable the rotor 6 to rotate, there is a difference of at least one tooth between the number of rotor and stator teeth. By rotating the magnets 2 on and off, the rotor ring gear 5 is partially brought into engagement with the stator ring gear 4 ; thereby the rotor 6 performs a wobbling movement with respect to the stator 1 , with each rotation of the wobbling movement by the actuation of the magnets 2 causing a rotation of the rotor 6 by a difference in the number of teeth between the rotor 6 and stator 1 corresponding angle.

Die Klemmvorrichtung 3 ist in Umfangsrichtung zwischen den Magneten 2 angeordnet und besteht aus einem Spulen kern 32 auf dem eine Erregerspule 13 angebracht ist und einem Federbügel 14, welcher gleichzeitig als magnetischer Rückschlußring ausgebildet ist und an der Kontaktstelle Federbügel-Rotor ein Andruckstück 16 aufweist. Befindet sich der Motor im Ruhezustand, dann drückt der Federbügel 14 mit dem Andruckstück 16 gegen den Rotor 6 und bringt durch die Federkraft diesen auf der diametral gegenüberlie genden Seite in Eingriff mit dem Stator 1, so daß eine kraftschlüssige Verbindung 17 zwischen Rotor und Stator ent steht. Bei Inbetriebnahme des Motors beginnt der Rotor auf dem Stator abzurollen, d. h. er führt eine Taumelbewegung durch. Gleichzeitig wird die Erregerspule 13 angesteuert. Die magnetische Anzugskraft der Spule reicht jedoch nicht aus, um die Federkraft des Federbügels zu kompensieren und diesen über den Luftspalt 18 anzuziehen und somit den Ro tor zu lösen. Wird jedoch gleichzeitig ein der Erregerspule 13 benachbart liegender Magnet 2 angesteuert und dadurch der Rotor an dieser Stelle in Eingriff mit dem Stator ge bracht, verringert sich der Luftspalt 18 und die Anzugskraft der Erregerspule 13 reicht aus, um den Federbügel 14 in einer Stellung zu halten, die ein freies Durchdrehen des Rotors 6 ermöglicht. Dieser Zustand bleibt solange aufrecht erhalten, bis der Motor und damit auch die Erregerspule 13 abgeschaltet wird und der Federbügel wieder in seine Aus gangslage zurückkehrt und damit den Rotor fixiert.The clamping device 3 is arranged in the circumferential direction between the magnets 2 and consists of a coil core 32 on which an excitation coil 13 is attached and a spring clip 14 , which is simultaneously designed as a magnetic yoke ring and has a pressure piece 16 at the spring clip-rotor contact point. The motor is at rest, then the spring clip 14 presses with the pressure piece 16 against the rotor 6 and brings this by the spring force on the diametrically opposite side into engagement with the stator 1 , so that a positive connection 17 between the rotor and stator ent stands. When the motor is started up, the rotor begins to roll on the stator, ie it wobbles. At the same time, the excitation coil 13 is activated. However, the magnetic attraction force of the coil is not sufficient to compensate for the spring force of the spring clip and to attract it via the air gap 18 and thus to loosen the rotor. However, if at the same time a magnet 2 adjacent to the excitation coil 13 is driven and the rotor is brought into engagement with the stator at this point, the air gap 18 is reduced and the attraction force of the excitation coil 13 is sufficient to hold the spring clip 14 in one position , which allows the rotor 6 to rotate freely. This state is maintained until the motor and thus the excitation coil 13 is switched off and the spring clip returns to its starting position and thus fixes the rotor.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Erregerspule 13 so ausgelegt sein, daß bei Inbetriebnahme des Motors die Anzugskraft der Spule ohne Zuhilfenahme eines Magneten 2 ausreicht, um den Federbügel 14 in eine Stellung zu bringen, die das freie Drehen des Rotors ermöglicht. In a further embodiment, the excitation coil 13 can be designed such that when the motor is started up, the attraction force of the coil without the aid of a magnet 2 is sufficient to bring the spring clip 14 into a position which enables the rotor to rotate freely.

Eine weitere Ausführungsform eines Motors zeigt Fig. 2. Der Stator 1 ist in gleicher Weise wie in Fig. 1 be schrieben aufgebaut. Der Rotor 21 besteht aus einer fla chen Scheibe 22, die eine hohe Torsionssteifigkeit auf weist, aber in axialer Richtung durch eine besondere Aus bildung flexibel ist. Dadurch entfällt eine Aufhängung des Rotors mittels Kugelgelenk und Federbalg. Am äußeren Umfang des Rotors ist ein starrer Zahnkranz 23 angebracht, der in bekannter Weise mit dem Statorzahnkranz 30 in Eingriff ge bracht wird.Another embodiment of a motor is shown in FIG. 2. The stator 1 is constructed in the same way as in FIG. 1. The rotor 21 consists of a fla chen disc 22 , which has a high torsional rigidity, but is flexible in the axial direction by a special education. This eliminates the need to mount the rotor using a ball joint and bellows. On the outer periphery of the rotor, a rigid ring gear 23 is attached, which is brought into engagement with the stator ring gear 30 in a known manner.

Bei einer flexiblen Rotorscheibe bewirkt ein Anziehen des Rotors auf den Stator keine Kippbewegung des Rotors um einen bestimmten Punkt, sondern lediglich eine Verformung in einem gewissen Bereich. Daher ist die Klemmvorrichtung 29 so angeordnet, daß diese unmittelbar den Rotorzahnkranz 23 in Richtung des Statorzahnkranzes 30 bewegt und eine Arretierung bei Motorstillstand durch die an dieser Stelle ineinandergreifende Zahnkränze von Rotor 21 und Stator 1 ermöglicht.In the case of a flexible rotor disk, tightening the rotor onto the stator does not cause the rotor to tilt about a certain point, but only causes deformation in a certain area. Therefore, the clamping device 29 is arranged so that it directly moves the rotor ring gear 23 in the direction of the stator ring gear 30 and allows locking when the motor is stopped by the intermeshing ring gears of rotor 21 and stator 1 at this point.

Die Klemmvorrichtung 29 besteht aus einem in axialer Rich tung verschiebbaren ferromagnetischen Ankerteil 24, welches mittels einer Druckfeder 25 eine axial gerichtete Kraft auf dem Rotor 21 ausübt. Wird der Motor in Betrieb gesetzt, so wird in vorbekannter Weise auch die Erregerspule 26 aktiv und zieht das Ankerteil 24 in eine Stellung, die ein freies Durchdrehen des Rotors ermöglicht. Das Gehäuse 27 der Klemm vorrichtung dient gleichzeitig als magnetischer Rückschluß und ist mittels einer Konsole 28 auf dem Stator 1 des Schrittmotors befestigt.The clamping device 29 consists of a movable in the axial Rich direction ferromagnetic armature part 24 , which exerts an axially directed force on the rotor 21 by means of a compression spring 25 . If the motor is started, the excitation coil 26 also becomes active in a known manner and pulls the armature part 24 into a position which enables the rotor to rotate freely. The housing 27 of the clamping device also serves as a magnetic yoke and is fixed by means of a bracket 28 on the stator 1 of the stepper motor.

Das Schaltbild Fig. 3 zeigt die Ansteuerung der Klemmvor richtung. Die Erregerspule 13 liegt in Serie mit den Motor spulen 31 der Magnete 2, wobei in diesem Fall acht Motor spulen verwendet werden. Diese werden mittels einer Ansteuer einheit 20 und Transistoren 19 geschaltet. Eine Drehbewe gung des Rotors 6, 21 wird durch nacheinander folgende An steuerung der Spulen 31 erreicht. Bei kurzzeitigem Motor stop bleibt eine Spule 31 angesteuert, um ein Haltemoment zu gewährleisten. Hieraus ist ersichtlich, daß lediglich bei völlig abgeschaltetem Motor, also Unterbrechung der Stromversorgung oder Abschalten der Ansteuerung 20, die Spule 13 nicht erregt wird und dann die Feder 25 der Klemm vorrichtung 29 den Rotor 21 fixiert.The circuit diagram of Fig. 3 shows the control of the Klemmvor direction. The excitation coil 13 is in series with the motor coils 31 of the magnets 2 , in which case eight motor coils are used. These are switched by means of a control unit 20 and transistors 19 . A rotary movement of the rotor 6, 21 is achieved by successively controlling the coils 31 . When the motor stops for a short time, a coil 31 remains activated in order to ensure a holding torque. From this it can be seen that only when the motor is completely switched off, that is to say interrupting the power supply or switching off the control 20 , the coil 13 is not excited and then the spring 25 of the clamping device 29 fixes the rotor 21 .

Claims

1. stepper motor, consisting of a stator on which successively controllable axial force components generating motor electromagnets are attached and a rotor which is connected as a rigid rotationally symmetrical ring by means of an axially flexible but torsionally rigid element to an output shaft, whereby Opposing end faces of the rotor and stator gears with different numbers of teeth are provided, so that when the motor electromagnets are actuated, the rotor rolls on the stator in the manner of a wobble movement and is rotated in the process, characterized in that the motor engages when the motor electromagnets are switched off ( 2 ) which becomes effective clamping device ( 3, 29 ) which locks the rotor ( 6, 21 ) in a predetermined position, the clamping device ( 3, 29 ) providing a device for generating an axially directed force for tilting the rotor ( 6, 21 ), so that the rotor ring gear ( 5, 23 ) partially in the stator ahnkranz ( 4, 30 ) engages and the clamping device ( 3, 29 ) contains an addition to the motor electromagnet additional electromagnet ( 12, 13 ), which generates a force opposite to the axially directed force when actuated.

2. Stepper motor according to claim 1, characterized in that the force of the electromagnet ( 12, 13 ) is chosen to be smaller than the axially directed force, so that the axially directed force only when the electromagnet ( 12, 13 ) drives adjacent motor electromagnets ( 2 ) is overcome.

3. Stepper motor according to claim 2, characterized in that a spring ( 14, 25 ) is provided for generating the axially directed force.

4. Stepper motor according to one of the preceding claims, characterized in that the axially directed force is selected in accordance with the required holding torque of the rotor ( 6, 21 ).