DE3207101C1 - Schrittmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor, mit im Statorgehäuse ringförmig angeordneten, Polschuhe aufweisende Elektromagneten mit einem an einer axial im Statorgehäuse angeordneten Abtriebswelle befestigten, aus magnetisch leitendem Material gefertigten und mit einer ringförmigen Ankerplatte fest verbundenen flexiblen Membran bestehenden scheibenförmigen Rotor mit einem an seinem Umfang auf der den Elektromagneten zugewandten Seite angeordneten ersten Zahnkranz, der gegenüber einem mit dem Statorgehäuse fest verbundenen zweiten Zahnkranz, mit vom ersten abweichender Zähnezahl, derart angeordnet ist, daß bei Erregung eines Elektromagneten der erste Zahnkranz im Bereich des Magneten in den zweiten Zahnkranz formschlüssig eingreift und daß bei zyklisch aufeinanderfolgender Erregung der Elektromagnete der erste Zahnkranz auf dem zweiten Zahnkranz schrittweise entsprechend der Anzahl und Erregung der am Umfang vorhandenen Elektromagnete abrollt und der Rotor sich dabei bei einem vollen Umlauf des von den Elektromagneten erregten Magnetfeldes um einen der Differenz der Zähnezahlen entsprechenden Winkel weiterdreht, mit einem am Statorgehäuse befestigten dritten Zahnkranz, der in einen an der Abtriebswelle angebrachten vierten Zahnkranz, als Rastzahnkranz eingreift, um im unerregten Zustand ein Haltemoment zu bewirken.

Ein in der DE-OS 17 63 078 beschriebener Schrittmotor besteht aus einem ring- bzw. topfartig ausgebildeten Statorgehäuse mit darin ringförmig angeordneten Elektromagneten und zugehörigen Polschuhen. Über den Elektromagneten ist auf einer in dem Statorgehäuse axial angeordneten Lagerbockwelle ein drehbar gelagerter und durch eine Kugelgelenkverbindung damit auslenkbar verbundener Rotor in Form einer magne- ' tisch leitenden Ringscheibe angeordnet. An seiner Umfangswand und nahe der Lagerbockwelle trägt das Statorgehäuse bzw. die Lagerbockwelle einen bzw. zwei erste Zahnkränze und der darüber angeordnete Rotor ι bzw. die Ringscheibe dazu korrespondierende zweite Zahnkränze. Beide Zahnkränze sind in ihrer Zahnzahl i voneinander unterschiedlich. Statorgehäuse und Rotor sind von einem Deckel geschlossen.

Ferner ist ein von der Fa. Kleinwächter, Lörrach, entwickelter elektrischer Schrittmotor für extrem kleine Winkelschritte bekannt. Dieser Schrittmotor besteht aus einer Anzahl in einem Statorgehäuse ringförmig angeordneter Elektromagnete und einer darüber drehbar gelagerten flexiblen Membran mit am Umfang angeordneten Eisenplättchen. Durch Ein- und Ausschalten der Elektromagnete bzw. Spulen in entsprechender Reihenfolge entsteht eine umlaufende elektromagnetische Welle. Dabei ist der magnetische Fluß von Spulenstrom, der Länge der Luftspalte und dem dazu verwendeten Material abhängig. Während des Betrie-

OOPY

: sind stets sechs Elektromagnete gleichzeitig erregt, ■on jeweils drei benachbarte und die zu diesen metral angeordneten. Der auf die am Umfang der mbran angeordneten Eisenplättchen wirkende manische Fluß bzw. die daraus resultierenden Kräfte virken, daß die flexible Membran auf den Flächen der lisch abgeplatteten Polschuhe der Elektromagnete liegt.

Durch schrittweises Erregen der nächstbenachbarten ilen und gleichzeitigem Abschalten der letzterregten ler Reihe wird die Membran in Umdrehung versetzt, bei sie eine Art Rollbewegung über die Polschuhe führt. Der Abgriff des Drehmomentes erfolgt an der ;hachse der Membran.

vus der DE-PS 2517 974 ist ein aus einem torgehäuse und darin ringförmig angeordneten ktromagneten mit kegelig abgeplatteten Polschuhen tehender Schrittmotor bekannt, dessen Rotor aus jr flexiblen Membran besteht, an dessen Umfang ; magnetisch leitende Ringscheibe angeordnet und einer axial im Statorgehäuse angeordneten Abbswelle befestigt ist. In dem Statorgehäuse ist eine iförmige erste Lauffläche auf der den Elektromagneabgewandten Seite derart ausgebildet, daß sich die Umfang der Membran befindliche Ringscheibe im eich der jeweils erregten Elektromagnete an die e Lauffläche anlegt. Dabei verformt ein Laufring mit :r der ersten Lauffläche äquivalenten zweiten ffläche durch seine Lage die Membran um einen auf Schrittgröße und das Haltemoment des Schrittmoabgestimmten Betrag ähnlich einem Kegel. Die ite Lauffläche ist gegenüber der ersten korresponend angeordnet. Im Betrieb sind stets zwei letral gegenüberliegende Elektromagnete erregt. ^:n aus der DE-OS 30 16 126 bekannter elektroma-.ischer Membranscheiben-Motor besteht aus einem or mit einer geraden Mehrzahl von in einem orgehäuse im Kreis angeordneten Elektromagneten einem Rotor aus einer axial vor den Elektromagneim Abstand von diesen angeordneten, elastisch ormbaren, aus magnetisierbarem Material ausgebiln Membran. Die Membran ist mit ihrem kreisförmi-Umfangsrand axial auslenkbar und örtlich gegen ringförmige Abwälzbahn des" Stators anregbar, ch der Reihe nach aufeinanderfolgende Erregung Elektromagnetpaare ist die Membran an der /älzbahn abwälzbar. An ihrer der Abwälzbahn ^wendeten Seite ihres Umfangrahmens weist die nbran eine axiale Halteverzahnung einer statorfe-Halteverzahnung auf. Diese greift in eine axiale everzahnung eines statorfesten Haltezahnkranzes r Zähnezahl an zwei diametral gegenüberliegenden riffsstellen ein, die sich um eine gerade Anzahl von anigen der Membran-Halteverzahnung unterschei-Dabei ist die Abwälzbahn als Abtriebszahnkranz einer axialen Antriebsverzahnung ausgebildet, der axiale Antriebsverzahnung der Membran an deren • Halteverzahnung abgewandten Seite ihres Umsrandes zugeordnet ist. Die Antriebsverzahnungen Membran und des Antriebszahnkranzes entspreden Halteverzahnungen der Membran und des 2zahnkranzes, wobei diese mit ihren einander etral gegenüberliegenden Eingriffsstellen gegen Eingriffsstellen der Halteverzahnungen um 90° itzt sind. Die Membran ist aus einer im wesentliebenen Kreisscheibe ausgebildet und ist durch den •iff der Halteverzahnungen wie auch den Eingriff ibtriebsverzahnungen jeweils zu einer Zylinderfläche mit an der jeweiligen Verbindungslinie der Eingriffsstellen der Halteverzahnungen liegenden Scheitel elastisch verformbar.

Nachteilig bei diesen bekannten Schrittmotoren ist, daß die damit erzielbare Schrittgenauigkeit bzw. Schrittauflösung, insbesondere im Einzelschritt und deren Reproduzierbarkeit zu gering und die Verschleißfestigkeit der miteinander korrespondierenden Zahnkränze unzureichend ist. Ferner führt dies dazu, daß selbst bei verzahnten Schrittmotoren in kritischen Anwendungsfällen ein zusätzlicher hochauflösender Encoder eingesetzt werden muß. Dadurch wird die Systemkomplexität und das Gewicht sehr stark erhöht. Der letztgenannte Membranscheiben-Motor hat noch den Nachteil, daß im Stillstand praktisch nur ein Zahn im Eingriff steht, wodurch die Reproduzierbarkeit und Einstellgenauigkeit keine Langzeitkonstanz aufweisen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Membranscheiben-Motor, bei welchem die Einstellgenauigkeit und Reproduzierbarkeit vom Verschleiß der beiden während des Abrollens formschlüssig verbundenen Antriebsverzahnungen abhängig ist, derart auszubilden, daß bezüglich der Reproduzierbarkeit und der Einstellgenauigkeit eine größere Langzeitkonstanz erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprächen enthalten.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Anordnung eines zweiten, aus einer flexiblen Membran und einem daran befestigten und mit einem Zahnkranz versehenen Rotors auf einer zwischen, außer- oder innerhalb der Elektromagneten angeordneten elektromagnetisch gesteuerten Rastspule eine über eine lange Lebensdauer präzise Schritterzeugung gewährleistet ist. Das heißt, daß dabei Schritte mit relativ genauer Schrittgröße erzeugt werden, wobei das Rastsystem eine Feinkorrektur eines Schrittes oder der Schrittfolge in dem geforderten präzisen Toleranzbereich bewirkt. Durch die damit bewirkte Vergrößerung der Eingriffsbreite bzw. das große Eingriffsfeld der Rastverzahnung wird eine hohe Schrittgenauigkeit bzw. Schrittauflösung (ca. 0,01 Winkelgrad) reproduzierbar erreicht und durch einen damit verbundenen praktisch vernachlässigbaren Verschleiß eine Langzeitkonstanz der Genauigkeit erzielt. Durch die zwischen den Elektromagneten angeordnete elektromagnetisch gesteuerte Rastspule wird der zweite Zahnkranz derart beeinflußt, daß dieser in jeder beliebigen Stellung rastet und fixierbar ist, so daß der Motor auch im unerregten, stromlosen Zustand ein Haltemoment aufweist. Ferner ist vorteilhaft, daß durch Einsatz eines elektronischen Zählers mit üblicher Schrittzählung von einem elektrisch definierten Nullpunkt aus zur Registrierung der Aktivierung der Rastspule ein sonst erforderlicher hochauflösender Encoder eingespart und dadurch die Baugröße und das Gewicht des Schrittmotors verringert wird.

-Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.
Es zeigt

Fig. 1 einen Schrittmotor im Schnitt in seitlicher Ansicht mit im Statorgehäuse ringförmig angeordneten Elektromagneten und einer Rastspule und zweier an der Antriebswelle gelagerten Rotoren mit Verzahnung, F i g. 2 den Schrittmotor gemäß F i g. 1 in der Ansicht

ORIGINAL INSPECTiP

von oben,

Fig.3 eine im Statorgehäuse angeordnete und mit dem zweiten Rotor korrespondierende Lichtschranke, F i g. 4 ein sektorförmiges Federblatt.

Der aus F i g. 1 im Schnitt in seitlicher Ansicht ersichtliche Schrittmotor 1 besteht aus einem nach oben und unten abgeschlossenen magnetisch geschirmten Statorgehäuse 2 mit einer darin axial angeordneten Abtriebswelle 3 und dazu in einem Radius R ringförmig angeordneten Elektromagneten bzw. Spulen 4. An der Unterseite der Abtriebswelle 3 ist eine dem Radius R entsprechende flexible, torsionssteife Membran bzw. ein Rotor 5 befestigt, auf dessen Umfang ein Zahnkranz 6 mit Ankerplatte bzw. Ring 7 angeordnet ist. Der Zahnkranz 6 korrespondiert mit einem gegenüberstehenderi und mit dem Statorgehäuse 2 fest verbundenen Zahnkranz 8. In einem Abstand A ist unterhalb der Membran bzw. des Rotors 5 auf der Abtriebswelle 3 ein zweiter mit einem an seinem Umfang befestigten Ring 9 und mit einem Zahnkranz 10 versehener, gleichfalls flexibler Rotor 11 angeordnet.

Die Membran 11 kann wahlweise, je nach konstruktiven Erfordernissen, entweder als volle flexible segmentförmige Scheibe 11' oder als sektorförmiges Federblatt 11" (siehe Fig.4) ausgeführt sein (segmentförmige Scheiben finden bei Schrittmotoren Verwendung, die kleinere Drehwinkel als 360° ausführen, z. B. Scanantriebe für Spektrometer mit ±90°). Der Durchmesser bzw. Radius R\ der Membran bzw. des Rotors 11 ist gegenüber dem Durchmesser bzw. Radius R2 der Membran bzw. des Rotors 5 im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa doppelt so groß, kann aber je nach Konstruktion bzw. Auslegung des Schrittmotors 1 variabel'sein. Der Zahnkranz 10 der Membran bzw. des Rotors 11 korrespondiert mit einem an bzw. nahe der Wand 12 des Statorgehäuses 2 angeordneten Rastzahnkranz 13. In dem zwischen der Wand 12 und den Elektromagneten bzw. Spulen 4 vorhandenen freien Raum 14 (siehe auch Fig.2) ist ein elektronisch gesteuerter Rastmagnet bzw. eine Rastspule 15 angeordnet, deren sektor- und topfartig ausgestalteter Zuganker 16 durch vorgespannte Blattfedern 17, 18 torsionssteif gefesselt ist-P_?r Polschuh 19 der Rastspule 15 besitzt an der oberen Polfläche eine kegelförmige Ausnehmung 20, in welche bei Erregung der Rastspule 15 ein dazu korrespondierender Kegel 21 rastet. Dabei wird der Zuganker 16 nach unten gezogen und die miteinander im Eingriff stehenden Abschnitte der beiden Zahnkränze 10 der Membran bzw. des Rotors 11 und 13 durch Abheben des an der Unterseite des Ringes 9 andrückenden Fingers 16' des Zugankers 16 freigegeben. Die Membran bzw. der Rotor 11 bzw. der Ring 9 mit Zahnkranz 10 ist, nachdem die durch die Blattfedern 17,18 bewirkte Anpreßkraft aufgehoben ist, frei drehbar und die Motordrehung kann erfolgen. Nach Beendigung des Schrittes bzw. der Schrittfolge wird die Aktivierung der Rastspule 15 aufgehoben und die Membran bzw. der Rotor 11 bzw. der Ring 9 mit Zahnkranz 10, welcher sich um denselben Weg bzw. Schritt mitgedreht hat, wird durch die Vorspannung der beiden Blattfedern 17,18 fixiert.

Aus Fig.2 ist der Schrittmotor 1 in teilweise aufgeschnittener Ansicht von oben dargestellt, woraus die im Statorgehäuse 2 im Radius R ringförmig um die Abtriebswelle 3 angeordneten Elektromagnete bzw. Spulen 4, die Membran bzw. der Rotor 5 mit Zahnkranz 6 mit Radius R2, die Rastspule 15 mit Zuganker 16 und Blattfedern 17, (18), die darunter angeordnete Membran bzw. der Rotor 11 mit Radius R\ und den miteinander korrespondierenden Zahnkränzen 10 und 13 ersichtlich sind. Im freien Raum 14 des Statorgehäuses 2 ist, der Rastspule 15 benachbart, eine Lichtschranke 22 angeordnet, deren Schnitt A-A in F i g. 3 gezeigt ist. Mit der Lichtschranke 22 als Nullstellungsindikator wird eine Nullstellenanzeige für ein Schrittprogramm ermöglicht, wobei die Anzahl der ausgeführten Schritte mit der Anzahl der Aktivierungen der Rastspule 15 identisch ist. Die Anordnung der Lichtschranke 22 ist reduntant und so angeordnet, daß in einem die Membran bzw. der Rotor 11 bzw. den Ring 9 nach der Unterseite umgreifenden Finger 23 eine Lichtquelle 24 angeordnet ist, deren fokussierter Lichtstrahl durch in der Membran bzw. im Rotor 11 angeordnete Durchlässe 25 (z.B. Bohrungen, Schlitze) von einem darüber angeordneten Sensor (z. B. Fotozelle) 26 registriert wird. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung der Lichtquelle 24 oberhalb und des Sensors 26 unterhalb der Membran 11 denkbar.

Die Rastspule 15 und Spulen 4 werden durch die Elektronik so angesteuert, daß immer ein stabiles Haltemoment an der Abtriebswelle 3 vorhanden ist. Nach einer vollen Drehung des Schrittmotors (je nach Anregung erfolgen bei 8 Spulen z. B. 8 oder 16 kleine Einzelschritte) ist ein Schritt erfolgt.

Aus F i g. 4 ist in seitlicher Ansicht und in der Ansicht von oben ein von einem Statorgehäuse 2' umschlossener Schrittmotor 1' mit Abtriebswelle 3' und mit einem durch Befestigungsstege 27 gehaltenen und mit einer Ankerplatte 28 verbundenen sektorförmigen Federblatt 11" ersichtlich. Der mit der Abtriebswelle 3' verbundene Rotor 11 trägt an seiner Peripherie einen Zahnkranz 29, der mit dem Zahnkranz 30 des Federblattes 11" korrespondiert bzw. bei Erregung einer darüber angeordneten Rastspule 15' rastet Der Rastspule 15' um 180° versetzt gegenüber ist eine Lichtschranke 22' als Nullstellungsindikator angeordnet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen COPY

Claims (9)

32 0/ 101 Patentansprüche:

1. Schrittmotor mit im Statorgehäuse ringförmig angeordneten, Polschuhe aufweisende Elektromagneten mit einem an einer axial im Statorgehäuse angeordneten Abtriebswelle befestigten, aus magnetisch leitendem Material gefertigten und mit einer ringförmigen Ankerplatte fest verbundenen flexiblen Membran bestehenden scheibenförmigen Rotor mit einem an seinem Umfang auf der den Elektromagneten zugewandten Seite angeordneten ersten Zahnkranz, der gegenüber einem mit einem Statorgehäuse fest verbundenen zweiten Zahnkranz, mit vom ersten abweichender Zähnezahl, derart angeordnet ist, daß bei Erregung eines Elektromagneten der erste Zahnkranz im Bereich des Magneten in den zweiten Zahnkranz formschlüssig eingreift und daß bei zyklisch aufeinanderfolgender Erregung der Elektromagnete der erste Zahnkranz auf dem zweiten Zahnkranz schrittweise entsprechend der Anzahl und Erregung der am Umfang vorhandenen Elektromagnete abrollt und der Rotor sich dabei bei einem vollen Umlauf des von den Elektromagneten erregten Magnetfeldes um einen der Differenz der Zähnezahlen entsprechenden Winkel weiterdreht, mit einem am Statorgehäuse befestigten dritten Zahnkranz, der in einen an der Abtriebswelle angebrachten vierten Zahnkranz, als Rastzahnkranz eingreift, um im unerregten Zustand ein Haltemoment zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß axial neben dem Rotor (5) auf der Abtriebswelle (3) ein zweiter aus einer flexiblen Membran (H') bestehender Rotor (11) mit einem an deren Umfang befestigten Ring (9), der mit dem vierten Zahnkranz (10) mit gleicher Teilung wie der dritte versehen ist, angeordnet ist, wobei mit Hilfe einer bei Stillstand angesteuerten Rastspule (15), deren Eingriffsfeld mehrere Zähne der Rastverzahnung umfaßt, die Abtriebswelle (3) feststellbar ist.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastspule (15) auf einem größeren Radius (Ri) außerhalb des Radius (R) der Elektromagnete bzw. Spulen (4) angeordnet ist

3. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastspule (15) auf einem kleineren Radius innerhalb des Radius (R) der Elektromagnete bzw. Spulen (4) angeordnet ist.

4. Schrittmotor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser bzw. Radius (R\) des zweiten Rotors (11) gleich mit dem der Rastspule (15) ist.

5. Schrittmotor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rotor (11) ein sektorförmiges Federblatt (H") ist. ·

6. Schrittmotor nach den Ansprüchen 1 bis 5,. dadurch gekennzeichnet, daß zur Aktivierung der Rastspule (15) eine mit der Motoransteuerung korrespondierende elektronische Ansteuerung erfolgt.

7. Schrittmotor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Statorgehäuse (2) eine mit dem zweiten Rotor (11) korrespondierende Lichtschranke (22) als Stellungsfühler angeordnet ist, die in Verbindung mit. der Ansteuerung der Rastspule (15) steht.

8. Schrittmotor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Statorgehäuse (2) ein mit dem zweiten Rotor (11) korrespondierender mechanischer oder magnetischer Schalter (26') als Stellungsfühler angeordnet ist, der in Verbindung mit der Ansteuerung der Rastspule (15) steht

9. Schrittmotor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Abänderung der zweite Rotor (11) eine steife Scheibe (11') ist und der Rastkranz (13) von der Rastspule (15) mechanisch bewegt ist