DE3135359A1

DE3135359A1 - "schrittmotor"

Info

Publication number: DE3135359A1
Application number: DE19813135359
Authority: DE
Inventors: John Howard 01923 Danvers Mass. Carlson
Original assignee: Usm Corp 06032 Farmington Conn; USM Corp
Current assignee: QUINCY TECHNOLOGIES Inc NEW HAVEN CONN US
Priority date: 1980-09-08
Filing date: 1981-09-07
Publication date: 1982-07-08
Also published as: US4375602A; SE8105300L; CA1179721A; BE890271A; GB2086667A; FR2490035B1; IT1138188B; AU550011B2; GB2086667B; CH656031A5; DK150434C; NL8104096A; DK150434B; DE3135359C2; DK394181A; JPS5778358A; IT8123729A0; IL63700A; AU7499181A; FR2490035A1

Description

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DIPL.ING. HEINZ BARDEHJtE" * %,^: II^: * '".^Mühohen. 7·September 1981 PATENTANWALT

Aktenzeichen: Mein Zeichen: P 3288

Armelder: USM Corporation

Parmington,Connecticut 06032 Zustelladresse:

181 Elliott Street Beverly, Mass.01915 USA

Schrittmotor

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch betätigte Schrittmotoren und insbesondere Schrittmotoren mit einem in Bezug auf die Ausgangswelle einen Winkel aufweisenden Rotor.

In der DE-OS 30 37 758 ist ein Biege- oder Spannungswellengenerator dargestellt, der zwei oder drei Ausbeulungen als Teile eines eine Bewegung übertragenden Mechanismus aufweist. Der Wellengenerator wirkt auf ein flexibles ausbiegbares Zahnrad, das bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Drehkraft auf eine Ausgangswelle überträgt. Eine Bewegungsübertragung bei Motoren ist auch in der US-PS 3 331 974 beschrieben, gemäß der ein auslenkbarer Rotor mit Keilnutenzähnen in der Nähe eines Endes des Rotors an einer kreisförmigen Keilnut angreift, die in zwei diametrisch gegenüberliegenden Bereichen angeordnet ist, um dazwischen eine Drehbewegung zu bewirken. Der Rotor verwendet iedoch einen in ihm gewundenen magnetischen Stellstab und es wird eine radiale Aüslenkspannung in dem Rotor induziert, wobei diese Spannung die Anzahl der Schritte pro Umdrehung der Ausgangswelle begrenzt.

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In der US-PS 3 456 139, der US-PS 3 4 92 151, der US-PS 3 644 und der US-PS 3 894 255 sind weitere Schrittmotoren be.^chriebenx: ;' die einen Rotor mit einer einzigen Ausbeulung verwenden. Bei diesen Patentschriften wird auch ein Universalgelenk verwendet, mit dessen Hilfe ein Nutationszahnrad oder ein trommelähnlicher Rotor an einer Ausgangswelle befestigt sind. Diese? ; Art der Verbindung ist jedoch einer Abnutzung bzw. einem Abrieb unterworfen und kann frühzeitig brechen. In der US-PS 3 456 139 ist eine doppelte Trommel zur Ausführung einer Taumelbewegung beschrieben, die um ein Universalkugelgelenk angeordnet ist, das ein sinusförmiges Abnutzungsmuster erhält. In der US-PS 3 492 515 ist eine durch eine Feder vorgespannte * Zahnscheibe auf einem kugeligen Teil angeordnet. In der US-PS 3 644 764 ist eine Zahnscheibe mit zwei Sätzen von einander zugeordneten Zahnradzähnen auf einem Universalgelenk an einer <·*»> Ausgangswelle angeordnet. Die US-PS 3 894 255 zeigt einen

Moüor mit einer einzigen Ausbeulung mit einem trommelähnlichen Rotor, der in der Nähe eines Endes an ein Universalgelenk angepaßt ist und bei dem eine verlängerte Welle an ein , Zahnrad mit einer Spitze angepaßt ist, das sich um eine ahn- _a

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liehe stationäre Spitze in einer glockenförmigen Endöffnung dreht. Diese Anordnung ist bezüglich ihrer Träger- und Antriebsfunktionen im Hinblick auf die Lösung der gestellten Aufgabe kompliziert.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schrittmotor anzugeben, der weniger kompliziert aufgebaut ist als bekannte Schrittmotoren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schrittmotor anzugeben, bei dem innere und äußere Zahnräder mit unterschiedlichen Anzahlen von Zähnen leicht zusam-

mengebaut werden können, um eine Vielzahl von Übersetzungsverhältnissen zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Schrittmotor für einen harmonischen Antrieb anzugeben, bei dem die radiale Auslenkungsspannung in dem Rotor eliminiert ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ^w einen Schrittmotor anzugeben, der einen an einer Ausgangswelle durch ein auslenkbares Stützteil oder eine federnde Platte befestigten Rotor aufweist, der bekannte Schrittmotoren im Hinblick auf· 3i_e Wirksamkeit, den Betriebsbereich und die Wirtschaftlichkeit übertrifft.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit einem Stator und einem starren Rotor oder Zylinder, wobei ein Außenzahnrad um das distale Ende des Zylinders angeordnet ist. Außenzähne dieses Endes greifen während der Erregung des Motors an Zähnen an, die an dem Gehäuse an einem Innenzahnrad ange-

ordnet sind.Das andere Ende des Rotors oder Zylinders weist ein Stützteil oder eine federnde Platte das an der Ausgangswelle befestigt ist. Die Achse des starren Rotors oder Zylinders ist in Bezug auf die Achse der Ausgangswelle während der Erregung des Motors asymmetrisch angeordnet, wobei der Rotor oder Zylinder seine zylindrische Form während des Betriebs des Motors behält. Das distale Ende des Rotors oder Zylinders bewegt sich in dem Stator während der Erregung des Stators auf einer Kreisbahn. Die Achse des Rotors oder Zylinders beschreibt einen Präzessionskegel und bewirkt dadurch eine Drehung der Ausgangswelle. Das Innenzahnrad und das Außenzahnrad können unterschiedliche Anzahlen von Keilnutzähnen aufweisen und können zusammengebaut werden, um eine Vielzahl von unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen in dem Motor zu schaffen. Der Rotor oder Zylinder selbst besitzt eine starre Konstruktion, um radiale Auslenkungsspannungen zu eliminieren und um eine sehr kleine Anzahl von Schritten pro Ausgangsumdrehung zu ermöglichen, die sonst bei harmonischen Schrittmotoren (harmonic drive stepping Motor) nicht erreichbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den■Jiguren näher erläutert:

Jig. 1 eine pespektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schritt-

motors mit einem sich auf einer Kreisbahn bewegenden Rotor oder Zylinder; und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt einen Schrittmotor 10 mit einem Gehäuse 12, das eine erste Endkappe 14, ein Gehäusezwischenteil 16 und eine zweite Endkappe 18 aufweist. Eine Ausgangswelle 20 ist in einem ersten buchsenförmigen Lager 22 in der ersten Endkappe 14 und in einem zweiten buchsenförmigen Lager 24 in der zweiten Endkappe 18 gelagert, wobei die Lager 22 und 24 in axialer Richtung voneinander beabstandet sind. Die Endkappen 14 und 18 können durch eine Mehrzahl von Bolzen 26 in axialer Richtung an dem Zwischenteil 16 festgeklemmt sein, wobei das Zwischenteil 16 einen geschichteten Stator 28 umgibt. Ein starrer, im allgemeinen zylinderförmiger pingnoi i.<?Hi permeabler Rotor oder Zylinder 30 ist innerhalb des Stators 28 angeordnet und an der Ausgangswelle 20 durch ein flexibles Stützteil befestigt, das eine Anordnung von Speichen aufweisen kann, bei dem es sich vorzugsweise aber um eine federnde Platte 32 handelt.Ein Flansch 34 ist mit der Welle 2o einstückig ausgebildet und ist an dem radialen inneren Teil des flexiblen Stützteils oder der federnden Platte 32 befestigt, um eine Beziehung zwischen der Platte und der Welle zu erleichtern. Ein Sicherungsring 36, der in einer Nut 38 auf der Welle 20 sitzt, grenzt an das erste Lager 22an,um irgendeine Relativbewegung der Welle 20 in eine Richtung nach außen zu verhindern.

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Ein Flansch 40 in dem zweiten Lager 24 verhindert eine relative Axialbewegung der Welle 20 in der entgegengesetzten Richtung.

Der starre Zylinder 30 weist ein erstes Zahnrad oder ein erstes äußeres Keilnutenzahnrad 42 auf, das am Umfang im allgemeinen in der Nähe des Endes des Zylinders 30 angeordnet ist, das dem Stützteil oder der federnden Platte 32 gegenüberliegt. Die erste Endkappe kann einen ringähnlichen ringförmigen Flansch 44 aufweisen, der koaxial zur Ausgangswelle 20 angeordnet ist, die eine Drehachse A aufweist, wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist. Ein zweites kreisförmiges Keilnutenzahnrad oder inneres Keilnutenzahnrad 46 kann in der Nähe des distalen Umfangs des ringförmigen Flansches 44 an dessen innerem Ende vorgesehen sein.

Der Stator 28 weist ein sich durch ihn erstreckendes Loch oder eine Bohrung 48 auf, in der der Rotor 30 enthalten ist. Die Bohrung 48 kann einen Durchmesser aufweisen, der in radialer Richtung in der Nähe der Keilnutenzahnräder 42 und 46 geringfügig größer ist. Die Bohrung 48 verjüngt sich in radialer Richtung geringfügig nach innen in Richtung auf die federnde Platte 32. Der Rotor 30 kann reziprok dimensionisert sein, d.h. der Durchmesser des Rotors kann am distalen Ende in der Nähe des ersten Zahnrades 42 kleiner sein als der Durchmesser des Rotors 30 an der Platte 32. Die Zähne des kreisför-

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migen Kreilnutenzahnrades 46 können unter einem Winkel geschnitten sein, der der Verjüngung der Bohrung in dem Stator 28 entspricht. D.h., daß bei einer Ausfuhrungsform das innere Keilnutenzahnrad 46 in der Nähe des distalen Umfangs des ringförmigen Flansches 44 einen kleineren Durchmesser aufweisen kann als der Bereich des Keilnutenzahnrades 46 in der Nähe des dem ringförmigen Flansch 44 nahen Endes, um irgendeine Asymmetrie des Rotors während des Betriebs zu kompensieren.

Der Stator 28 kann eine Mehrzahl von Schichten aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind und in einer herkömmlichen Weise zur Bewirkung einer Isolation beschichtet sind. Bei den Schichten kann es sich um identisch ausgestanzte Teile handeln, die gleichmäßig beabstandete, innen angeordnete Kerne mit bogenförmigen Polflächen aufweisen, und die gestapelt und dann maschinell so bearbeitet werden, daß sich die oben bereits erwähnte geringfügig konische Bohrung 48 ergibt. Der Stator 28 weist eine Feldwicklung auf, die sequentiell durch einen nicht dargestellten Mitnehmer erregt werden, um zu ermöglichen, daß in Umfangsrichtung benachbarte Pole den Rotor oder Zylinder 30 reihenweise anziehen, um eine Bewegung des Rotors zu bewirken. D.h., wenn ein oder mehrere Paare von benachbarten Polen des Stators 28 erregt ist bzw. sind, weist der starre Rotor oder Zylinder 30 eine Längsachse B auf, die während der Erregung verschoben oder schräg angeordnet ist, um das Eingreifen entsprechender Zähne des inneren und

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äußeren KeilnutenZahnrades 46 und 42 zu bewirken. Die federnde Platte 32, die den Rotor 30 an der Ausgangswelle 20 festhält, biegt sich dementsprechend, um sich an die Verschiebung der Welle B des Rotors oder Zylinders 30 aus einer Lage, in der sie mit der Achse A der Ausgangswelle 20 koinzidiert,in eine geringfügig schräge Lage während der Erregung des Motors 10 anzupassen. Die Platte kann mit dem Rotor oder Zylinder 3 0 einstückig ausgebildet sein, wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist.Sie kann aber auch unabhängig vom Rotor 30 hergestellt sein und an radial benachbarten Umfangsflanschen (nicht dargestellt) verschweißt sein.

Durch eine geeignete fortschreitende Erregung der fortschreitend in Umfangrichtung benachbarten Polpaare des Stators 28 und durch eine Entregung der hinteren Polpaare wird bewirkt, daß der Rotor oder Zylinder 30 sich in der Bohrung 48 auf einer Kreisbahn bewegt, wobei die Drehachse B des Rotors oder Zylinders 30 einen Präzessionskegel bestimmt.

An dem äußeren Keilnutenzahnrad 42 sind weniger Zähne vorhanden als an dem inneren stationären Keilnutenzahnrad 46, so daß sich die Drehposition der Ausgangswelle 20 für jede Kreisbahn oder Umdrehung des Rotors oder Zylinders 3 0 um einen Betrag verschiebt, der gleich der Differenz der Anzahl der Zähne zwischen dem inneren Keilnutenzahnrad 46 und dem äußeren Keilnutenzahnrad 42 ist. Durch die Ausnützung der Fähigkeit der vor-

liegenden Erfindung, gemäß der aufeinanderfolgende Rotoren oder Zylinder unterschiedliche Anzahlen von äußeren Keilnutenzähnen aufweisen können, sind mehrere Verhältnisse von
Rotor- oder Zylinderbahnen pro Umdrehung der Ausgangswelle verfügbar. Die inneren und äußeren Keilnutenzahnräder 46 und 42 können an den jeweiligen ringförmigen Flanschen
•^ und/oder Rotorteilen 44 und 30 hergestellt werden. Sie können aber auch unabhängig von diesen Teilen hergestellt werden und durch Schweißen oder dergleichen an diesen angebracht werden.

Es wird festgestellt, daß bei einer anderen Äusführungsform das Keilnutenzahnrad an dem distalen Ende des Rotors oder des Zylinders 30 auch als ein Innenzahnrad ausgebildet sein und als Innenkrei lnut en zahnrad arbeiten kann ,und daß das stationäre Keilnutenzahnrad 46 als äußeres Ringzahnrad angeordnet sein kann. Der Rotor oder Zylinder 30 bewegt sich dann auf einer Kreisbahn, wobei sein distaler Umfang in radialer Richtung
außerhalb des ringförmigen Flansches 44 angeordnet ist.

Eine weitere Ausbildungsform ist in der Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Rotor 30 vorzugsweise
als Zylinder ausgebildet, dessen radiales inneres Teil des
Stützteils oder der Platte 32 fest an der einen Endkappe befestigt ist. Das erste Zahnrad oder das kreisförmige Keil-

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nutenzahnrad 46 kann das Ausgangsteil aufweisen, das in der anderen Endkappe 14 in einem Lager 50 gelagert ist und an einer Ausgangswelle 52 durch ein ringförmiges flanschähnliches Trägerteil 54 befestigt ist. Es wird bewirkt, daß sich das distale Ende des Zylinders 30 nach wie vor während der Motorerregung um die Ausgangswelle auf einer Kreisbahn dreht,

wobei bewirkt wird, daß die Zähne des ersten und zweiten Zahnst

rades 42 und 46 fortschreitend am Umfang ineinander eingreifen, um eine Drehbewegung der Ausgangswelle zu bewirken. Das an einer Endkappe 18 fest angeordnete Stützteil oder die Platte selbst dreht sich jedoch nicht vollständig um die Achse- A des Motors.

Der beschriebene Schrittmotor verwendet Auslenkungsmechaniken, bei denen die Motorkomponenten einfacher und wirtschaftlicher sind, und eine größere Lebensdauer aufweisen. Außerdem ist der Motor leistungsfähiger als bekannte Schrittmotoren.

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor, bei den in einem Gehäuse (14, 16 18) ein starrer rohrförmiger Rotor oder Zylinder (3 0) vorgesehen ist, der in einem Stator (28) angeordnet ist. Der Stator (28) weist eine Anordnung von Zähnen eines Zahnrades (46) in der Nähe eines seiner Enden an einem Gehäuseteil (14) auf. Der Zylinder (30) weist an einem Ende eine Anordnung von Zähnen eines Zahnrades (42) auf. Außerdem be-

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sitzt er ein auslenkbares Trägerteil oder eine federnde Platte (3 2) an seinem anderen Ende. Das auslenkbare Trägerteil oder die federnde Platte (32) ist fest mit einer Ausganyswelle (20) verbunden. Die Drehachse des Zylinders (30) ist in Bezug auf die Drehachse der Ausgangswelle (20) während der Motorerregung, wenn der Zylinder (30) vom Stator angezogen wird, geringfügig schräg angeordnet. Der Stator (28) besitzt eine Mehrzahl von, gleiche Winkel zueinander aufweisenden, beabstandetn Spulen, deren sequentielle Erregung bewirkt, daß die entsprechenden inneren und äußeren Zähne zwischen dem Zylinder (30) und dem Zahnrad (46) der Endkappe am Umfang sequentiell ineinander eingreifen. Dadurch werden eine Kreisbewegung des Zylinders in dem Stator und eine Drehung der Ausgangswelle bewirkt.

Claims

Patentansprüche

( 1.)Schrittmotor, bei dem ein Motorgehäuse eine erste und eine zweite Endkappe aufweist, bei dem ein Stator erregbare Pole % enthält, die um eine im wesentlichen zylindrische Fläche herum voneinander beabstandet sind, wobei die Fläche ein im wesentlichen axial angeordnetes. Loch in dem Gehäuse bildet, und bei dem ein Ausgangsteil vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet daß ein starrer Zylinder (30) an einem Ende einen flexiblen Träger (32) aufweist, daß ein erstes Zahnrad (42) an dem anderen Ende des Zylinders (30) angeordnet ist, daß ein zweites Zahnrad (46), das in einer der Endkappen (14, 18) des Gehäuses (12) in der Nähe des ersten Zahnrads (42) gehalten ist,,vorgesehen ist, und daß die selektive Erregung der Pole ein selektives Eingreifen des ersten Zahnrades (42) und des zweiten Zahnrades (46) zur Erzeugung einer Bewegung des Zylinders (30) auf einer Kreisbahn und einer Drehbewegung des Ausgangstei]s (20, 52) bewirkt.
2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das zweite Zahnrad (46) durch einen ringförmigen Flansch (44, ^! 54) in Bezug auf eine der Endkappen (14, 18) angeordnet ist..
3. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsteil (20, 52) eine in wenigstens einer der Endkap-

pen (14, 18) gelagerte Welle ist.
4. Schrittmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ausgangswelle (20) mit dem flexiblen Träger(32) verbunden
5. Schrittmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswelle (52) mit dem zweiten Zahnrad (46) verbunden; ist. ■ - C-V^
6. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge-'' kennzeichnet, daß sich das erste Zahnrad (42) am Außenumfang j des Zylinders (30) befindet und daß sich das zweite Zahnrad t '..

(46) am inneren Umfang des ringförmigen Flansches (44, 54) befindet.
7. Schrittmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß , der starre Zylinder (30) eine Drehachse aufweist, die In Bezug auf die Drehachse der Ausgangswelle (20, 52) während der Erregung der Pole in dem Stator (28) schräg angeordnet ist. .
8. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des starren Zylinders (30) einen Präzessionskegel beschreibt, wenn der starre Zylinder (30) sich auf einer Kreis-

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bahn um die Ausgangswelle (20, 52) bewegt.
9. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsfläche des Statorloches in Bezug auf die Drehachse der Ausgangswelle (20, 52) einen Winkel aufweist.
10. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne auf dem ringförmigen Flansch (44, 54) unter einem geringfügigen Winkel in Bezug auf die Drehachse der Ausgangswelle (20, 52) angeordnet sind.
11. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß „ der starre Zylinder (30) seine zylindrische Form behält, wenn er um die Ausgangswelle (20, 52) kreist.
12. Schrittmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Zahnrad (46) auf dem ringförmigen Flansch (44, 54) auswechselbar ist.
13. Schrittmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ;;

selektive Polpaare fortschreitend erregt werden, daß selektive I Polpaare fortschreitend entregt werden, daß beide Polsätze zum Kontaktpunkt der Zahnradanordnung (42, 46) benachbart sind und dadurch bewirkt wird, daß sich der Zylinder (30) auf einer Kreisbahn bewegt und daß sich die Ausgangswelle (20, 52) dreht.
14. Schrittmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet/ daß der flexible Träger (32) an einem Ende des Zylinders (30) eine über das Ende angeordnete federnde Platte aufweist.