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Impulsgesteuerter Linearschrittmotor mit permanentmagnetischem
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Stator Die Erfindung betrifft einen impulsgesteuerten Linearschrittmotor
mit permanentmagnetlschem Stator, der zur Umwandlung diskreter elektrischer Signale
In mechanische Bewegungen dient. Er ist überall dort einsetzbar, wo mechanische
Positionieraufgaben zu erfüllen sind, die insbesondere durch digital arbeitende
elektronische Systeme gesteuert werden sollen und durch häufiges Ver weilen gekennzeichnet
sind. Solche Motoren sind für den Einsatz in der Druck-, Bearbeitungs- und Handhabetechnik
geeignet und können zum Beispiel Drucker- und Schreibmaschinenwalzen, Belichtungsköpfe,
Bohrer, Greifer und andere Werkzeuge bewegen.
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Üblicherweise werden Permanentmagnete In Schrittmotoren eingesetzt,
um elektrische Wicklungen bipolar nutzen zu können. Eine Haltekraft im stromlosen
Zustand kann dabei nicht zu den entscheidenden Effekten gezählt werden.
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Bei einigen Hybrldmotoren ist diese Erscheinung in geringem Maße zu
beobachten. Indem sich die Magnetflüsse nicht völlig gleichmäßig auf die Motorpole
aufteilen, entstehen Restkräfte, die jedoch nur etwa 6 5o bis 10 % der elektrisch
erregbaren Kräfte ausmachen (BRAMER: Einfluß von Exzentrizitäten auf das Schrittverhaiten
von Hybrld-Schrittmotoren. VDI-Berichte Nr. 482, 1983, S. 105 ff. und WEINBECK:
Der Schrittmotor als Antriebsaggregat in Geräten der Datenverarbeitung. feinwerktechnik
+ micronic 78 (1974) 4, S. 146 ff.). In den meisten Fällen genügen diese geringen
Selbsthaltekräfte nicht, um das positionierende Objekt sicher zu fixieren. Auf herkömmliche
Art wird deshalb das betreffende Magnetsystem des Schrittmotors fortwährend mit
Strom beaufschlagt. Das ist vor allem dort energetisch sehr ungünstig, wo der Einsatzfall
des Schrittmotors ein häufiges längeres Verweilen vorsieht.
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Ziel der Erfindung ist es, den Energieverbrauch langsamlaufender Linearschrittmotoren
wesentlich zu senken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Llnearschrlttmotor zu schaffen,
der während des Stillstandes keine Eiektroenergie verbraucht und dabei trotzdem
seine volle Haltekraft bewahrt und dessen Aufbau den Einsatz preisgünstiger Oxidferrlte
zuläßt, ohne daß deren großes Volumen nachteilige Wirkungen zeigt, und der sich
zudem durch einen leicht herstellbaren Aufbau auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Linearschrittmotor
ummagnetisierbare und nicht ummagnetisierbare Permanentmagnete enthält, welche im
stromlosen Zustand die erforderlichen Magnetflüsse aufbringen. Das Wesen der Erfindung
besteht darin, daß der Stator des Linearschrittmotors von zwei parallelen Schienen,
die aus ferromagnetischem Material bestehen, gebildet wird, welche die Stator-Verzahnung
tragen und zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte, nicht ummagnetisierbare
Permanentmagnete befinden, so daß die eine Statorschiene über ihre gesamte Länge
als magnetischer Nord- und die andere als magnetischer Südpol wirkt. Weiterhin sind
an den Statorschienen geeignete Flächen vorgesehen, die zur Führung des Läufers
dienen können. Entsprechend dem Anwendungsfall kann der Querschnitt des Stators
eckig oder auch kreisförmig sein. Der Läufer des dazugehörigen Linearschrittmotors
besteht aus zwei oder mehreren Magnetsystemen, von denen jedes einen Permanentmagnet
und eine ihn umgebende Läuferwicklung enthält.
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Die beiden Magnetpole des Läufer-Permanentmagnets sind mit ferromagnetischen
Leltstücken besetzt, welche an den Enden dergestalt aufgezweigt sind, daß sich vier
freie Läuferpole ergeben.
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Diese sind jeweils mit einer Verzahnung versehen, wobei die Zähne
an den Läuferpolen denen der Statorverzahnung gleichen und ihnen nahe gegenüberstehend
angeordnet sind.
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Der von den Stator-Permanentmagneten erregte Magnetfluß wird über
die Statorschienen dem Läufer des Llnearschrittmotors zu-
geleitet,
wobei sich der Magnetfluß dem Magnetfluß sich im Läufer befindlicher ummagnetislerbarer
Permanentmagnete überlagert. Die resultierenden Flüsse verlaufen durch bestimmte
Läuferpole, durch andere hingegen nicht. Die Läuferpole tragen Verzahnungen, die
der Statorverzahnung nahe gegenüberstehen und untereinander einen Versatz aufweisen,
und zwar dergestalt, daß, wenn die Zähne der diagonal angeordneten Läuferpole Zahn
zu Zahn den Verzahnungen der Statorschienen gegenüberstehen, die Zähne der anderen
Läuferpole den Statorschienen Zahn zu Zahnlücke gegenüberstehen. Durch Ummagnetisieren
der Läufer-Permanentmagnete werden die aus der Flußüberlagerung resultierenden Flüsse
durch andere Läufer-Pole als vorher geleitet. Indem die Läufer-Permanentmagnete
zyklisch ummagnetisiert und damit die resultierenden Flüsse durch verschiedene Läuferpole
geleitet werden, realisiert sich die Bewegung des Läufers. In jeder so eingestellten
Läuferposition bleibt die Halte kraft ohne jegliche Stromzufuhr beliebig bestehen.
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Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel und anhand von Zeichnungen
näher erläutert.
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Dabei zeigen Fig. 1 eine mögliche Form des Läufers und seine Stellung
zum Stator (ohne Führungsräder) Fig. 2 eine Ausführungsform des Stators Fig. 3 eine
Ausführungsform des Stators mit kreisförmigem Querschnitt (Ansicht In Längsrichtung).
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Der Stator des Linearschrittmotors besteht aus zwei parallelen ferromagnetischen
Statorschienen 1, zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte Permanentmagnete
4 befinden.
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Die Abmessungen der Permanentmagnete 4 werden durch den gewünschten
Magnetfluß und durch die Kennwerte des verwendeten Magnetwerkstoffes bestimmt. Da
das Platzangebot an dieser Stelle ausreichend ist, können preiswerte Oxidferrite
mit geringem Energieprodukt eingesetzt werden.
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Beide Statorschienen 1 tragen in Längsrichtung eine gleichmäßige Stator-Verzahnung
5.
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Für den Querschnitt des Stators sind viele Formen denkbar.
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Stellvertretend sind in Fig. 2 ein eckiger und In Fig. 3 ein kreisförmiger
Querschnitt dargestellt.
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Die Statorschienen 1 wirken über ihre gesamte Länge wie die zwei Pole
eines Permanentmagnets.
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Der Läufer des Schrittmotors besteht aus zwei oder mehr Magnetsystemen,
von denen jedes einen Läufer-Permanentmagnet 14 enthält, der von einer Läuferwicklung
13 umgeben ist Als Werkstoff des Läufer-Permanentmagnets 14 ist ein Permanentmagnet-Material
mit niedriger Koerzitivfeldstärke zweckmäßig. Am Nord-und am Südpol eines jeden
Läufer-Permanentmagnets 14 schließt sich je ein ferromagnetisches Leitstück 11 an.
Jedes Leitstück 11 ist so aufgespalten, daß es in zwei verzahnte Läuferpole 15aa,
15ab oder 15ba, 15bb ausläuft. Die Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Läuferpole
15aa und 15bb sind gleich verzahnt, die Läuferpole 15ab und 15ba ebenfalls, jedoch
ist ihre Verzahnung um T/2 von der Verzahnung der Läuferpole 15aa bzw. 15bb versetzt.
Das zweite Magnetsystem ist genau wie das erste aufgebaut und mit diesem starr,
aber magnetisch entkoppelt verbunden. Die Verbindung kann durch nichtmagnetische
Gehäuseteile oder Verguß- oder Klebemassen hergestellt werden. Beide Magnetsysteme
sind in Längsrichtung der Statorschienen 1 hintereinander angeordnet. Zwischen den
Läuferpolen 15aa, 15ab, 15ba, 15bb des ersten und den entsprechenden des zweiten
Magnetsystems besteht dabei ein Versatz aller Verzahnungen um T/4. Stehen beispielsweise
die Zähne der Läuferpole 15aa und 15bb den Zähnen der Statorschienen 1 Zahn zu Zahn
gegenüber, so sind die Zähne der Läuferpole 15ab und 15ba um T/2 versetzt (d. h.
sie stehen Zahn zu Lücke), während die Zähne der Läuferpole des zweiten Magnetsystems
um +T/4 bzw. um -T/4 versetzt dazu stehen.
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Zur Verdeutlichung der Funktionsweise dieses Impulsgesteuerten Linearschrittmotors
sollen zunächst die Wirkungen des Stator-
Permanentmagnets 4 und
des Läufer-Permanentmagnets 14 getrennt erläutert werden.
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Vom Stator-Permanentmagnet 4 angetrieben, treten Anteile des Magnetflusses
aus einer Statorschlene 1 nahezu gleichverteilt in die vier ihr nahestehenden Läuferpole
beider Magnetsysteme ein, um nach Passieren des Läufers über die anderen vier Läuferpole
beider Magnetsysteme denselben wieder zu verlassen und in die andere Statorschlene
1 zurückzukehren. Es soll nun der Liiufer-Percnanentmagnet 14 eines Magnetsystems
des Läufers einen weiteren Magnetfluß antreiben, der über die Läuferpole 15aa und
15ab des betreffenden Magnetsystems den Läufer verläßt und über die Läuferpole 15ba
und 15bb nach Passieren der Statorschlenen 1 wieder in das Magnetsystem des Läufers
zuriickkehrt. Teile des zu v vom Stator"Permanentçnagnet 4 und des vom Läufer-Permanentmagnet
14 erregten Flusses überlagern sich in den einzelnen Läuferpolen 15aa, 15ab, 15ba,
15bb dieses Magnetsystems des Läufers. Im genannten Fall addieren sich die Teilflüsse
in den Läuferpolen 15aa und 15bb im Sinne einer Verstärkung, während sich die Teilflüsse
in den Läuferpolen 15ab und 15ba kompensieren. Die Abmessungen der Permanentmagnete
4 und 14 müssen so abgestimmt sein, daß sich die Flüsse in den letztgenannten Läuferpolen
genau aufheben. Diese Läuferpole üben somit keine Kraft aus. Die Läuferpole 15aa
und 15bb hingegen führen nunmehr den doppelten Magnetfluß und bestimmen so die resultierende
Kraft zu ihren Gunsten.
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Im zweiten Magnetsystem des Läufers bestehen die gleichen Verhältnisse.
Da In beiden Magnetsystemen jeweils zwei glelchverzahnte Läuferpole exisiteren,
die unter den beschriebenen Umständen eine Position zum Stator einzunehmen versuchen,
in der ihre Zähne der Verzahnung 5 der Statorschlenen 1 Zahn zu Zahn gegenüberstehen,
wird der Läufer insgesamt eine Zwischenstellung beziehen, die das Kräftegleichgewicht
beider Magnetsysteme realisiert. Diese Stellung ist stabil und bedarf keiner dauerhaften
elektrischen Erregung.
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Um eine Fortbewegung des Läufers zu erzielen, wird vermittels eines
elektrischen Impulses über die Läuferwicklung 13 der Läu-
fer-Permanentmagnet
14 des betreffenden Magnetsystems ummagnetisiert. Zugunsten einer geringen Amperewindungszahl
soll deshalb die Länge des Läufer-Permanentmagnets 14 so kurz wie möglich, aber
gerade so bemessen sein, daß die an den Arbeitsluftspalten auftretenden Feldstärken
und damit die am Permanentmagnet entstehende Gegenfeldstärke nicht zu seiner unbeabsichtigten
Entmagnetisierung führen kann.
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Die mittels der Wicklung 13 erzwungene Ummagnetisierung des Läufer-Permanentmagnets
14 bewirkt, daß nun der vom Läufer-Permanentmagnet 14 erregte Magnetfluß den entgegengesetzten
Weg nimmt. Die Überlagerung der Teilflüsse, die vom Stator-Permanentmagnet 4 und
vom Läufer-Permanentmagnet 14 verursacht werden, führt nun zu einem anderen Ergebnis.
Die gleichsinnige Überlagerung tritt nun In den Läuferpolen 15ab und 15ba auf, die
vorher keinen Fluß führten, während die Flußkompensation nun in den Läuferpolen
15aa und 15bb zustande kommt.
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Unter Berücksichtigung des Kräftegleichgewlchts mit dem zweiten Magnetsystem
bezieht nun der Läufer eine andere Stellung bezüglich des Stators als vorher.
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Da der Läufer-Permanentmagnet 14 des zweiten Magnetsystems genauso
ummagnetislert werden kann, ergeben sich Insgesamt vier Kombinationen der Zustände,
so daß durch zyklische Ummagnetisierungsimpulse durch die Läuferwicklungen 13 beider
Magnetsysteme vier stabile Läuferstellungen innerhalb einer Teilung T erlangt werden
können.
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Es ist ebenso möglich, nicht zwei, sondern drei der In Fig. 1 gezeigten
Läufer-Magnetsysteme zu einem Läufer zusammenzustellen. Bei entsprechend verändertem
Versatz der Verzahnungen der Läuferpole dieser Läufer-Magnetsysteme zueinander sind
dann durch Ummagnetisieren der dret Läufer-Permanentmagnete 14 sechs stabile Schritte
pro Teilung T realisierbar.
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Der Vorteil dieses Linearschrittmotors besteht darin, daß eine jegliche
Läuferposition beliebig lange eingehalten werden kann, ohne daß der Schrittmotor
dazu ständig Energie verbraucht. Die volle Haltekraft bleibt dabei fortwährend bestehen.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Statorschiene 4 Stator-Permanentmagnet
5 Stator-Verzahnung 6 Flächen zur Führung des Läufers 11 ferromagnetisches Leitstück
13 Läuferwicklung 14 Läufer-Permanentmagnet 15asa 15ab 15ab Läuferpole mit Verzahnung
15ba ) 15bb