DE3706515A1 - Anordnung zum einstellen eines rotors - Google Patents

Anordnung zum einstellen eines rotors

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DE3706515A1
DE3706515A1 DE19873706515 DE3706515A DE3706515A1 DE 3706515 A1 DE3706515 A1 DE 3706515A1 DE 19873706515 DE19873706515 DE 19873706515 DE 3706515 A DE3706515 A DE 3706515A DE 3706515 A1 DE3706515 A1 DE 3706515A1
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Gerd Ruff
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Rockwell Collins Deutschland GmbH
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Teldix GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/10—Auxiliary devices for switching or interrupting
    • H01P1/12—Auxiliary devices for switching or interrupting by mechanical chopper
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H5/00—Snap-action arrangements, i.e. in which during a single opening operation or a single closing operation energy is first stored and then released to produce or assist the contact movement
    • H01H5/02—Energy stored by the attraction or repulsion of magnetic parts

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  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Einstellen eines Rotors in n mögliche Stellungen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Es ist aus der DE-OS 34 41 728 ein Hohlleiterschalter mit insbesondere vier Rotorstellungen bekannt. Der Rotor dieses Hohlleiterschalters wird mit einem Schrittmotor nahe einer beliebigen Schaltstellung gedreht. Ein als Kipphebel ausgebildetes, elektromagnetisch in Bereitschaftsstellung gehaltenes, Rastglied wird nach Abschalten des Schrittmotors durch Feder­ kraft in die Raststellung gekippt. Durch permanentmagnetische Kräfte des Rastglieds wird der Rotor in eine durch das Rastglied vorgegebene exakte Schaltstellung gedreht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zum Einstellen eines Rotors in n Stellungen zu schaffen, die sich durch einen im Schalter integrierten Antrieb, einer Ansteuerelektronik, sowie einer permanentmagne­ tischen Rastanordnung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Der Vorteil dieser Erfindung besteht insbesondere darin, daß zur elektrischen Ansteuerung der Anordnung nur eine Leitung und ein Stromimpuls bestimmter Polarität benötigt wird, daß die Rotoreinstellung durch einen in die An­ ordnung integrierten Antrieb erfolgt und daß der Rotor durch berührungslos arbeitende Rastelemente exakt in die einzelnen Raststellungen bewegt und gehalten werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. So ergibt sich z. B. durch die im Anspruch 2 genannte Magnetpolzahl ein größeres Drehmoment. Durch die im Anspruch 6 genannte Verjüngung der Rast­ magnete wird eine exakte Positionierung des Rotors erreicht und durch die im Anspruch 8 genannte weitere Antriebswicklung wird insbesondere ein schnelleres Umschalten des Rotors in die nächste Schaltstellung erreicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Anordnung in prinzipieller Darstellung für acht Schaltstel­ lungen in einer Teilabwicklung,
Fig. 2 die Momentenkennlinien der in Fig. 1 dargestellten Abwicklung,
Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit einer weiteren Antriebswicklung,
Fig. 4 die Momentenkennlinien der in Fig. 3 dargestellten weiteren Aus­ gestaltung der Erfindung,
Fig. 5 eine Schaltung des für die weitere Ausgestaltung der Erfindung benötigten Verzögerungsglieds mit zwei Antriebswicklungen W 1 und W 2,
Fig. 6 Spannungskennlinien für das in Fig. 5 dargestellte Verzögerungs­ glied.
Die Anordnung gemäß Fig. 1 zeigt in Fig. 1a einen Antrieb mit einem Stator 1 und einem Rotor 2 für acht Schaltstellungen wie sie z. B. für das Schalten von Koaxial- oder Hohlleiterschaltern verwendet werden kann. Der Stator 1 enthält eine Antriebswicklung mit 16 hintereinander geschalte­ ten Antriebsspulen 5, hier symbolisch als einfacher Leiter mit eingezeichne­ ter Stromrichtung als Ausschnitt in einer Abwicklung dargestellt. Die Wicklungsanordnung ist gegenüber den Magnetstoßstellen des Rotors 2 um ca. 5,5° aus der Raststellung S 1 versetzt, um in dem Moment, wenn die Wick­ lung von einem Strom durchflossen wird, ein definiertes Drehmoment bestimm­ ter Richtung zu erhalten.
Der Rotor 2 enthält acht um jeweils 45° versetzte Permanentmagnetpaare 3, deren Polfolge abwechselt sowie einen magnetischen Rückschluß 4.
In Fig. 1b sind einige der Rastanordnungen (Detend-Elemente) 6, 7, 8/9, 10/ 11, 12 dargestellt. Die Rastanordnungen 6, 7, 8/9, 10/11, 12 sind auf dem Rotor 2 und auf dem Stator 1 angeordnet. Auf dem Stator 1 befinden sich acht um jeweils 45° versetzte Permanentmagnetpaare (6, 7/9, 10/11, 12, wovon der eine ein Permanentmagnet geringerer Feldstärke 7/10/12 ist. Die beiden radial entgegengesetzt magnetisierten Permanentmagnete 6, 7/9, 10/11, 12 der Rastanordnung 6, 7, 8/9, 10/11, 12 des Stators 1 sind um ca. 13° zueinander versetzt angeordnet.
Auf dem Rotor 2 befindet sich ein zum Magneten 6 entgegengesetzt magneti­ sierter Permanentmagnet 8, der in der Schaltstellung S 1 dem Magneten 6 gegenüber angeordnet ist. Die Rastmagnete 6, 8, 9, 11 der Rastanordnung 6, 7, 8/9, 10/11, 12 verjüngen sich auf der einander zugewandten Seite.
Der Antrieb 3, 4, 5 und die Rastanordnung 6, 7, 8/9, 10/11, 12 befinden sich in verschiedenen Ebenen.
In Fig. 2 sind Momentenkennlinien dargestellt. Hier zeigt die Kurve A den Verlauf des Antriebsmoments M A im Bereich der Raststellungen S 1 bis ca. 20°.
Die Kurve B zeigt den Verlauf des Rastmoments M D ebenfalls im Bereich der Raststellungen S 1 bis S 2 (0°-45°).
Das gleichbleibende Reibmoment M R wird durch die Kurve C dargestellt.
Das Antriebsmoment M A wird durch die hintereinandergeschalteten Antriebs­ spulen 5 des Stators 1 hervorgerufen und erzeugt im gezeigten Beispiel ein Antriebsmoment M A , welches den Rotor 2 aus der Raststellung S 1 nach rechts in Richtung der Raststellung S 2 treibt. Bis etwa 13° wird durch die Rastan­ ordnung 6, 7, 8/9, 10/11, 12 ein gegenüber dem Antriebsmoment M A (Kurve A) kleineres entgegengesetzt gerichtetes Rastmoment M D (Kurve B) erzeugt.
Ab etwa 13° addiert sich das Rastmoment M D (Kurve B) mit dem Antriebsmoment M A (Kurve A) und der Rotor 2 wird bei noch anliegendem Strom bis über 13° hinaus verdreht. Hier kann der Strom abgeschaltet werden. Jetzt wirkt nur noch das Rastmoment M D (Kurve B), welches im Bereich von etwa 22° seinen niedrigsten Wert erreicht aber immer noch etwa fünfmal größer ist als das z. B. durch Lagerreibung hervorgerufene Reibmoment M R (Kurve C). Das bis etwa 40° zunehmende Rastmoment M D (Kurve B) treibt den Rotor 2 in Richtung der Raststellung S 2. Ab etwa 40° nimmt das Rastmoment M D (Kurve B) steil ab und wird bei 45° zu Null. Die Magnete 8 und 9 stehen sich jetzt gegenüber (Raststellung S 2).
Soll der Rotor 2 in die nächste Raststellung (S 3) gedreht werden, so wird ein neuer Stromimpuls gleicher Polarität auf der gleichen Leitung benötigt.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Die Fig. 3a zeigt einen Antrieb mit einem Stator 1 und einem Rotor 2 für acht Schaltstellungen. Der Stator 1 enthält zwei Antriebswicklungen mit zweimal 16 hintereinander geschalteten Antriebsspulen 5′, 5′′, hier ebenfalls symbo­ lisch als einfacher Leiter mit eingezeichneter Stromrichtung als Ausschnitt in einer Abwicklung dargestellt. Die 1. Antriebswicklung mit den Spulen 5′ ist ebenfalls gegenüber den Magnetstoßstellen des Rotors 2 um ca. 5.5° aus der Raststellung S 1, S 2, S 3. . . heraus versetzt während die 2. An­ triebswicklung mit den Spulen 5′′ gegenüber der 1. Antriebswicklung einen Versatz von ca. 28° aufweist, um durch eine zeitverzögerte Ansteuerung der 2. Antriebswicklung ein Antriebsmoment gleicher Größe und gleicher Dreh­ richtung zu erhalten.
Der Rotor 2 enthält acht um jeweils 45° versetzte Permanentmagnetpaare 3, deren Polfolge abwechselt, sowie einen magnetischen Rückschluß 4.
In Fig. 3b sind einige der Rastanordnungen 6, 7, 8/9, 10/11, 12 dargestellt. Die Rastanordnungen 6, 7, 8/9, 10/11, 12 sind wie im Beispiel 1 auf dem Rotor 2 und auf dem Stator 1 angeordnet. Der einzige Unterschied zum ersten Aus­ führungsbeispiel ist die Anordnung der Magnete geringerer Feldstärke 7, 10, 12, die jetzt einen Versatz von ca. 16° gegenüber den Permanentmagneten 6, 9, 11 in einer Raststellung aufweisen.
In Fig. 4 sind die Momentenkennlinien des zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt. Hier zeigt die Kurve D 1 den Verlauf des Antriebsmoments M A₁ der ersten Antriebswicklung im Bereich der Raststellung S 1 bis ca. 19°. Die Kurve D 2 zeigt den Verlauf des Antriebmoments M A₂ der zweiten Antriebs­ wicklung im Bereich von ca. 19° bis zur Raststellung S 2.
Die Kurven E und F stellen den Verlauf des Rastmoments M D und den Verlauf des Reibmoments M R dar.
Im Moment des Einschaltens erzeugt durch einen Stromimpuls die erste An­ triebswicklung ein Antriebsmoment M A₁ nach Kurve D 1, welches den Rotor aus seiner Raststellung S 1 in Richtung der nächsten Raststellung S 2 treibt. Das Antriebsmoment M A₁ (Kurve D 1) der ersten Antriebswicklung erreicht bei ca. 17° den Wert Null. Durch die Rastanordnung 6, 7, 8 steht diesem Antriebsmo­ ment M A₁ (Kurve D 1) ein im Verhältnis zum Antriebsmoment M A₁ (Kurve D 1) kleines entgegengesetzt gerichtetes Rastmoment M D (Kurve E) gegenüber, wel­ ches bei ca. 16° zu Null wird. Etwa hier wird die erste Antriebswicklung abgeschaltet. Ab ca. 16° ist ein in gleicher Richtung wie das Antriebsmo­ ment M A₁ (Kurve D 1) gerichtetes Moment vorhanden. Durch zeitverzögerte Einschaltung der zweiten Antriebswicklung entsteht ein Antriebsmoment M A₂ (Kurve D 2), welches sich mit dem Rastmoment M D (Kurve E) addiert. Beide Momente erreichen bei 45° den Wert Null. Durch die bewegte Masse des Rotors 2 wird der Nullpunkt der Momente bei 16° überwunden. Das Rastmoment M D (Kurve E) bewegt den Rotor von ca. 18° in Richtung der Raststellung S 2 bis bei 22,5° das Antriebsmoment M A₂ (Kurve D 2) der zweiten Antriebswick­ lung (Spulen 5′′) einsetzt und zusammen mit dem Rastmoment M D (Kurve E) den Rotor 2 in die Raststellung S 2 dreht und dort durch die sich umkehrenden Momente ausrichtet. Der Strom durch die zweite Antriebswicklung (Spulen 5′′) kann nach der Ausrichtung des Rotors 2 abgeschaltet werden. Durch die Rast­ magnete 9, 8 wird der Rotor 2 in der Raststellung S 2 gehalten.
Eine weitere Drehung des Rotors 2 aus der Raststellung S 2 in die nächste Raststellung S 3 erfolgt in der gleichen Weise mit einem weiteren Strom­ impuls gleicher Polarität auf der gleichen Leitung.
Die Fig. 5 zeigt eine mit nur einer Leitung verbundene Schaltung eines für die weitere Ausgestaltung der Erfindung benötigten Verzögerungsglieds mit zwei Antriebswicklungen W 1 und W 2.
Ein Stromimpuls am Eingang der Schaltung erzeugt zum Zeitpunkt t 0 (Fig. 6) über einen Widerstand R 1 eines Spannungsteilers 15 einen Spannungsabfall der dem Gate eines Feldeffekttransistors F 1 zugeführt wird und diesen zum Zeitpunkt t 1 (Fig. 6) leitend macht. Bei leitendem Feldeffekttransistor F 1 wird die Antriebswicklung W 1 von einem Strom durchflossen, welcher ein An­ triebsmoment M A₁ nach Kurve D 1 (Fig. 4) erzeugt. Der eingangs genannte Stromimpuls liegt über einen Widerstand R 3 eines Spannungsteilers 16 auch an einem Kondensator C an und lädt diesen nach der Funktion U F₂ (Fig. 6) auf. Erreicht der Ladezustand des Kondensators C zum Zeitpunkt t 2 die Schaltschwelle S eines Feldeffekttransistors F 2, so wird der Feldeffekt­ transistor F 2 leitend und der durch die Antriebswicklung W 2 fließende Strom erzeugt ein Antriebsmoment M A₂ nach der Kurve D 2 (Fig. 4). Über Widerstände R 4 und R 5 wird der Feldeffekttransistor F 1 sofort abgeschaltet (t 3), nach­ dem der Feldeffekttransistor F 2 leitend wurde. Diodenanordnungen 13 und 14 dienen zum Schutz der Feldeffekttransistoren F 1, F 2 beim schnellen Ab­ schalten der Ströme durch die Wicklungen W 1 und W 2.
  • Bezugszeichenliste 1 Stator
    2 Rotor
    3 Permanentmagnete, Antrieb, rotorseitig
    4 magnetischer Rückfluß
    5 Antriebsspule, statorseitig
    5′ Antriebsspule, statorseitig
    5′′ Antriebsspule, statorseitig
    6, 7, 8, 9, 11 Rastanordnung
    6, 8 Rastmagnete
    7, 10, 12 Permanentmagnet geringerer Feldstärke
    9, 10 Rastanordnung
    11, 12 Rastanordnung
    13 Schutzdioden für F 1
    14 Schutzdioden für F 2
    15 Spannungsteiler
    16 Spannungsteiler
    S 1 Raststellung S 1
    S 2 Raststellung S 2
    S 3 Raststellung S 3
    Kurve A Antriebsmoment M A
    Kurve C Reibmoment M R
    Kurve D1 Antriebsmoment M A₁, hervorgerufen durch die Antriebswicklung 1
    Kurve D 2 Antriebsmoment M A₂, hervorgerufen durch die Antriebswicklung 2
    E Rastmoment M D
    F Reibmoment M R
    F 1, F 2 Feldeffekttransistoren 1, 2
    C Kondensator 1
    R 1, R 2, R 3 Widerstand
    R 4, R 5, R 6 Widerstand
    W 1 Antriebswicklung W 1
    W 2 Antriebswicklung W 2

Claims (8)

1. Anordnung zum Einstellen eines Rotors in n mögliche Stellungen ent­ haltend einen zeitweise eingeschalteten Antrieb mit rotorseitigen Per­ manentmagneten und statorseitigen Antriebsspulen und eine magnetische Rastanordnung mit rotor- und statorseitigen Permanentmagneten zum Stellen des Rotors in die einzelnen Raststellungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rastanordnung (6, 7, 8/9, 10/11, 12) statorseitig n Permanentmagnete (6, 7/9, 10/11, 12) aufweist, deren dem Rotor (2) zugewandte Pole alle die gleiche Polarität aufweisen und rotorseitig wenigstens einen Permanent­ magneten (8) aufweist, der dem Stator (1) zugewandt eine entgegengesetzte Polarität aufweist (Rastmagnete (6, 8/9/11), daß den rotor- oder stator­ seitigen Permanentmagneten (6, 8/9/11) ein entgegengesetzt gepolter um einen vorgegebenen Winkel versetzter Permanentmagnet (7, 10, 12) geringerer Feldstärke zugeordnet ist, daß der Stator (1) n oder 2n parallel und/oder hintereinander geschaltete Antriebsspulen (5) gleichmäßig verteilt auf­ weist, daß diese Antriebsspulen (5) an eine Ansteuerleitung angeschaltet sind, wobei im Falle 2n benachbarte Antriebsspulen (5) entgegengesetzt ge­ richtete Magnetfelder erzeugen und wobei die Achsen benachbarter Antriebs­ spulen (5) einen Winkel von 360°/n bzw. 360°/2n aufweisen und daß die Antriebsspulen (5) und die rotorseitigen Permanentmagnete (3) des Antriebs in den einzelnen Raststellungen (S 1, S 2, S 3. . .) derart gegeneinander ver­ setzt sind, daß bei Einschalten des Antriebsstromes ein Drehmoment in nur einer bestimmten Richtung erzeugt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb rotorseitig 360°/2n nebeneinander liegende Magnetpole (3) wechselnder Pola­ rität aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ trieb rotorseitig einen magnetischen Rückschluß (4) aufweist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die rotorseitigen Magnete (3) des Antriebs mit einer ihrer Stoßstellen in der jeweiligen Raststellung (S 1, S 2, S 3. . .) stehen und daß die statorseitigen Antriebsspulen (5) einen kleinen Winkelversatz bezogen auf die Stoßstellen der Magnete (3) des Rotors (2) aufweisen.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rotor­ seitigen Magnete (3) des Antriebs einen kleinen Winkelversatz bezogen auf die Raststellung (S 1, S 2, S 3, . . .) des Rotors (2) aufweisen, während eine Seite einer der statorseitigen Antriebsspulen (5) in der Raststellung (S 1, S 2, S 3) steht.
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rastmagnete (6, 8/9/11) auf der gegeneinander zugewandten Seite verjün­ gen.
7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ma­ gnete geringerer Feldstärke (7, 10, 12) der Rastanordnung (6, 7, 8/9, 10/11, 12) um ca. 360°/3,5n entgegen der Drehrichtung gegenüber den Rastmagneten (6, 8/9/11) versetzt sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Antriebsspulen (5′) gebildeten ersten Antriebswicklung eine derart versetzt angeordnete durch die Antriebsspulen (5′′) gebildete weitere Antriebswicklung zugeordnet ist, daß in den Raststellungen (S 1, S 2, S 3. . .) bei Stromfluß durch diese weitere Antriebswicklung (5′′) kein Antriebsmoment (M A₁, M A₂) erzeugt wird, daß die Spulen der weiteren An­ triebswicklung (5′′) parallel oder hintereinander an ein Verzögerungsglied angeschaltet sind, das seinerseits an die Ansteuerleitung angeschaltet ist und daß die Zeitverzögerung des Verzögerungsglieds derart ausgelegt ist, daß die Einschaltung der weiteren Antriebswicklung (5′′) erfolgt, wenn der Rotor (2) in eine Stellung gelangt ist, in der durch die weitere Antriebs­ wicklung (5′′) ein Antriebsmoment (M A₂) in gleicher Drehrichtung wie vorher durch die Antriebswicklung (5′) auf den Rotor (2) ausgeübt wird, wobei die 1. Antriebswicklung dann unwirksam ist.
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