DE3728868A1 - Elektrokleinmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art mit einem Erregungssystem für eine schrittweise Drehbewegung des Rotors.

Motoren dieser Art sind bereits in vielfältigen Ausführungsfor­ men unter der Bezeichnung "Schrittmotoren" bekannt. Stator und Rotor sowie das Erregungssystem dieser Motoren sind derart auf­ gebaut, daß bei einer impulsweisen Ansteuerung einzelner Spulen der Motorwicklung gemäß einer festgelegten Ansteuerungsimpuls- Folge der Motor sich in definierten Schritten dreht. Der Vorteil solcher Motoren ist insbesondere darin zu sehen, daß in ein­ facher Weise exakte Winkelwege durchlaufen werden können und der Rotor recht zuverlässig in vorgegebene Winkellagen einstell­ bar ist. Der Einsatz erfolgt überwiegend dort, wo Schrittbewe­ gungen gleichbleibender oder variabler Größe durchgeführt werden müssen, wobei in Geräten mit digitaler Steuerung als weiterer Vorteil noch die direkte Ansteuerbarkeit hinzukommt.

In vielen Anwendungsfällen muß jedoch das vom Schrittmotor an­ getriebene Teil neben der Schrittbewegung in der einen Koordi­ natenrichtung auch eine ein- oder mehrschrittige Bewegung in ei­ ner dazu senkrechten zweiten Koordinatenrichtung ausführen. Ein Beispiel hierfür ist der Farbbandantrieb in Schreib- oder ähnlichen Maschinen, bei dem das Farbband schrittweise in seiner Längsrichtung transportiert werden, aber auch quer zur Trans­ portrichtung in mindestens zwei Höhenlagen verschiebbar sein muß. Um diese Bewegungen zu realisieren, sind bisher ein erster Schrittmotor für die Transportbewegung in der einen Koordinaten­ richtung und ein zweiter Motor für die Bewegung in der zweiten Koordinatenrichtung eingesetzt worden. Auch Hubmagnete sind für die Verschiebung in der zweiten Koordinatenrichtung verwendet worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, der es erlaubt, ein angetrie­ benes Teil in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu bewe­ gen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß bei­ de Funktionen, nämlich die Bewegung eines angetriebenen Teiles in zwei zueinander senkrechten Richtungen, von ein und demsel­ ben Bauteil durchgeführt werden. Der Einsatz eines erfindungs­ gemäßen Motors macht somit die Verwendung eines weiteren - bis­ her notwendigen - Bauteils für die Bewegung in der zweiten Rich­ tung überflüssig. Hinzu kommt eine erhebliche Erleichterung für den Anwender eines erfindungsgemäßen Motors beim Einbau in ein Gerät sowie bei der Ankopplung an das anzutreibende Teil.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich darüberhinaus die Möglichkeit, die Bewegung in der zweiten Richtung in mehrere Schritte zu unterteilen, wodurch das ange­ triebene Teil in verschiedene, abgestufte Lagen einstellbar ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich außerdem durch eine beson­ ders kompakte, insbesondere axial flache Bauweise aus.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen sowie den Ausführungsbeispielen, die nachfolgend an­ hand der Figuren näher erläutert sind. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Einzelheit des Ausführungsbeispiels der Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Einzelheit des Ausführungsbeispiels der Fig. 1,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Aus­ führungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 in der Draufsicht,

Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 7 ein Bewegungsschema,

Fig. 8 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Halbschnitt,

Fig. 9 den Rotor des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 8 im Schnitt entlang der Linie IX-IX in Fig. 10,

Fig. 10 den Rotor in Richtung des Pfeiles X in Fig. 9,

Fig. 11 ein Statorelement des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 8 im Schnitt entlang der Linie XI-XI in Fig. 12,

Fig. 12 eine Draufsicht auf das Statorelement in Fig. 11 in axialer Richtung,

Fig. 13 einen Statorring des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 8 im Schnitt entlang der Linie XIII-XIII in Fig. 14,

Fig. 14 eine Draufsicht in axialer Richtung auf den Statorring in Fig. 13 und

Fig. 15 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt, ähnlich der Darstellung in Fig. 8, welches mit den Elementen der Fig. 9 bis 11 auch harmoniert.

In Fig. 1 ist ein schrittweise ansteuerbarer Elektromotor in einer Schnittansicht dargestellt, bei dem in einem Gehäuse 1 aus ferromagnetischem Material eine zylindermantelförmige ei­ senlose Wicklung 2 mit in axialer Richtung nebeneinanderliegen­ den Spulen (Fig. 3) angeordnet ist. Eine Welle 3 aus nicht­ magnetischem Material ist in zwei mit dem Gehäuse 1 fest ver­ bundenen Gleitlagern 4, 5 drehbar und axial verschiebbar ge­ lagert. Auf der Welle 3 ist ein aus zwei ferromagnetischen Pol­ rädern und einem zwischen den beiden Polrädern angeordneten, axial magnetisierten Permanentmagneten 8 bestehender Rotor mittels einer Hülse 9 verdreh- und verschiebesicher befestigt. Die Hülse 9 ist zur Verbesserung der magnetischen Abschirmung zweckmäßigerweise aus nichtmagnetischem Material gefertigt und dient als Anschlag für die axial verschiebbare Welle 3 am linken Lager 4.

Am rechtenEnde des Gehäuses 1 ist eine Ringspule 10 in einem Wicklungsträger 11 angeordnet, deren Zuleitungen, ebenso wie die Zuleitungen der eisenlosen Wicklung 2, mittels einer Leiterplatte 12 in an sich bekannter Weise aus dem Motorgehäuse 1 herausgeführt sind. In den Innenraum der Ringspule 10 bzw. des Wicklungsträgers 11 ragt ein zylindrischer Fortsatz (Fluß­ leitstück 13) des Motorflansches 14 hinein, der ebenfalls aus ferromagnetischem Material besteht. Das Flußleitstück 13 weist einen mit der größeren Öffnung nach links gerichteten kegel­ förmigen Hohlraum 15 auf, dem ein auf der Welle befestigter kegelförmiger Anker 16 entspricht

Die Polräder 6, 7 des Rotors sind identisch und haben die in Fig. 2 gezeigte Form. Sie sind am Umfang genutet und weisen dadurch eine von der Anzahl der Wicklungsspulen abhängige Zähne­ zahl auf. Zähne 17 und Nuten 18 haben dabei am Umfang der Pol­ räder 6, 7 die gleiche Breite. Jedoch ist das rechte Polrad 6 um die halbe Zahnteilung gegenüber dem linken Polrad 7 versetzt angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine Abwicklung eines Teils der eisenlosen Wicklung 2, deren Wicklungen 19, 20, 21, 22; 19′, 20′, 21′, 22′ sechs­ eck-förmig in einer Ebene liegend gewickelt sind, wobei ein langer Schenkel 23 des Sechsecks in senkrechter Richtung ver­ läuft. Die ersten vier Spulen 19 bis 22 sind über getrennte Leitungen 24 bis 27 einzeln ansteuerbar. Wie aus der gezeichne­ ten Verbindung ersichtlich, sind die Ausgänge der Spulen jeweils wieder mit den Eingängen der jeweils vierten darauf folgenden Spule (19 mit 19′, 20 mit 20′ usw.) verbunden, so daß bei An­ steuerung einer der Eingangsleitungen 24 bis 27 jede vierte Spule entlang der gesamten Wicklung 2 bestromt ist.

Die Funktion des Motors nach Fig. 1 ist folgende: Bei Ansteu­ erung einer der Eingangsleitungen 24 bis 27 richtet sich der Rotor entsprechend dem durch die Ansteuerung der Spulen erzeug­ ten Magnetfeld in einer definierten Stellung aus und dreht sich bei Ansteuerung der nächsten Eingangsleitung um einen Schritt weiter. Größere Winkelwege können durch aufeinanderfolgende An­ steuerung der Eingangsleitungen in der Reihenfolge 24, 25, 26, 27, 24, 25 usw. ausgelöst werden. Bei nicht erregter Ringspule 10 liegt dabei die Hülse 9 am linken Lager 4 an, wobei sich der Rotor am unteren Ende des langen Schenkels 23 der sechs­ eckigen Wicklungsspulen befindet. Wird nun die Ringspule 10 angesteuert, so bewirkt das dadurch erzeugte Magnetfeld, daß der kegelförmige Anker 16 in den Hohlraum 15 des Flußleit­ stückes 13 gezogen wird, bis der Ansatz 28 am rechten Lager 5 zur Anlage kommt. Zwischen Flußleitstück 13 und Anker 16 ver­ bleibt dann ein geringer Luftspalt, der eine berührungslose Rotation des Ankers 16 und damit der Welle 3 zuläßt. Die Kegel­ form des Flußleitstückes und des Ankers hat zur Folge, daß eine relativ gleichmäßige Einleitung der Magnetkraft von der Ring­ spule 10 in den Anker 16 und damit eine sanfte Axialverschie­ bung von Rotor und Welle 3 relativ zum Gehäuse 1 erfolgt. In dieser rechten Endstellung befindet sich der Rotor am oberen Rand des senkrecht verlaufenden Schenkels der Wicklungsspulen. Aus obigem ist ersichtlich, daß - entsprechend der Ansteuerung - die Welle des Motors auf ein anzutreibendes Teil sowohl eine schrittweise Drehbewegung als auch eine dazu senkrechte Hubbe­ wegung abzugeben vermag.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß den Fig. 4 und 5 ist sowohl das Erregungssystem für die schritt­ weise Drehbewegung des Rotors als auch das Erregungssystem für die axiale Relativverschiebung in einer gemeinsamen ringförmigen Anordnung untergebracht. Die ringförmige Anordnung weist vier Joche 29 bis 32 auf, die jeweils zwei ausgeprägte Statorpole 33 bis 40 besitzen. Zwei Joche 29, 30 sind vorgesehen, um die Drehbewegung des Rotors 41 zu bewirken, die beiden anderen Joche 31, 32 veranlassen die Axialverschiebung des Rotors 41. Jedes Joch 29 bis 32 ist mit einer Spule 42 bis 45 versehen, die jeweils unabhängig von den anderen Spulen mit umschaltba­ rer Polarität angesteuert werden kann. Die ringförmige Anord­ nung weist außerdem zwischen benachbarten Jochen 29 bis 32 Permanentmagnete 46 bis 49 auf, die derart angeordnet sind, daß auf beiden Seiten ein und desselben Jochs gleichnamige Per­ manentmagnet-Polaritäten liegen. So grenzt z. B. das Joch 29 auf seiner einen Seite an den Nordpol des Permanentmagneten 49 und auf der anderen Seite an den Nordpol des Permanentmagneten 46, das Joch 31 hingegen auf seiner einen Seite an den Südpol des Permanentmagneten 46 und auf seiner anderen Seite an den Südpol des Permanentmagneten 47. Durch diesen Aufbau entsteht ein sogenanntes Hybrid-System, bei dem die von den Permanent­ magneten 46 bis 49 ausgehenden Permanentmagnetfelder von den durch angesteuerte Spulen 42 bis 45 erzeugten elektromagneti­ schen Feldern in der Art beeinflußt werden, daß der magnetische Fluß und damit die Magnetkraft in dem einen Pol des jeweiligen Joches verstärkt - beispielsweise verdoppelt - und in dem an­ deren Pol des Joches verringert - beispielsweise zu Null ge­ macht - wird. Auf diese Art ist es möglich, durch Umschalten der Bestromungsrichtung einer Spule jeweils einen Pol des zu­ gehörigen Joches magnetisch zu aktivieren.

Der Rotor 41 dieses Ausführungsbeispiels besteht aus zwei im Abstand voneinander auf der Welle 50 angeordneten Polrädern 51, 52, die jeweils sechs gleichgerichtete Zähne 53 aufweisen, deren Breite am Umfang der Polräder 51, 52 gleich der Breite der Nuten 54 ist. Die axiale Höhe eines jeden Polrades 51, 52 soll dabei gleich der axialen Breite des Zwischenraumes 55 zwischen den Polrädern sein.

Die Pole 37 bis 40 der beiden Joche 31, 32 für die Axialver­ schiebung des Rotors 41 weisen in Axialrichtung eine Höhe auf, die im wesentlichen gleich der axialen Höhe der Zähne eines Polrades ist, wobei die Pole 37 bis 40 in axialer Richtung in gleichmäßigen Abständen gestuft angeordnet sind. In der darge­ stellten Ausführungsform liegt der Pol 37 am unteren Ende der ringförmigen Anordnung, der Pol 39 um eine Stufenteilung höher, der Pol 38 um zwei Stufenteilungen höher und der Pol 40 am oberen Ende der ringförmigen Anordnung.

Die Pole 33 bis 36 der für die Drehbewegung maßgeblichen Joche 29, 30 sind in Axialrichtung gleich lang ausgebildet, wobei ihre Länge ungefähr der doppelten axialen Höhe eines Polrad­ zahnes 53 entspricht.

Die Pole 33 bis 40 weisen eine solche Breite auf und sind der­ art in der Anordnung verteilt, daß die für die Drehbewegung maßgeblichen Pole 33 bis 36 ungefähr der umfangsmäßigen Zahn­ breite der Polräder entsprechen, die Pole jeweils eines Joches 29, 30 unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, die beiden Joche 29, 30 jedoch gegenüber den Polrädern 51, 52 um eine halbe Zahnteilung versetzt angeordnet sind, während die umfangs­ mäßige Polbreite der für die Axialverschiebung maßgeblichen Pole 37 bis 40 ungefähr der anderthalbfachen Breite eines Polradzah­ nes entspricht und die Pole 37 bis 40 so angeordnet sind, daß in jeder Stellung des Rotors 41 ein gleiches Verhältnis Polrad­ zahn 53 zu Polradlücke 54 jedem Pol 37 bis 40 gegenüberliegt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 sind Zähne und Lücken des Rotors 41 jeweils 30° breit; die Pole 33, 34, 35, 36 der Joche 29, 30 für die Drehbewegung sind ungefähr 30° breit, wobei die zu einem Joch gehörenden Pole mit geringem Abstand unmittelbar benachbart sind; die Pole 37, 38, 39, 40 der für die Axialverschiebung maßgeblichen Joche 31, 32 sind ungefähr 45° breit, wobei die zu jeweils einem Joch gehörenden Pole ca. 15° weit auseinander liegen; schließlich sind die Joche 29, 30 für die Drehbewegung derart angeordnet, daß die dem einen Joch 31 für die Axialverschiebung benachbarten Pole 34, 36 mit nur geringem Abstand neben den Polen 37, 38 des Joches 31 für die Axialverschiebung liegen, so daß sich zwi­ schen den Polen 39, 40 des zweiten Joches 32 für die Axialver­ schiebung und den Polen 33, 35 der Joche 29, 30 für die Dreh­ bewegung ein Abstand von ungefähr 15° ergibt.

Des weiteren ist in dem Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß die axiale Höhe der Polradzähne 53 und des Abstandes 55 zwischen den Polradzähnen jeweils 4 mm beträgt. Entsprechend obiger Be­ schreibung sind demnach die axialen Längen der für die Axial­ verschiebung maßgeblichen Pole 37 bis 40 ebenfalls 4 mm, wobei der Pol 39 gegenüber dem Pol 37 um 2 mm höhenversetzt, der Pol 38 gegenüber dem Pol 39 wiederum um 2 mm höhenversetzt und der Pol 40 gegenüber dem Pol 38 um 2 mm höhenversetzt ist. Bei ent­ sprechender Ansteuerung der Spulen 44 und 45 wird der in der Grundstellung befindliche Rotor 41 durch Aktivierung des Pols 37 um 2 mm axial verschoben, durch darauffolgende Aktivierung des Pols 39 um weitere 2 mm verschoben, durch darauffolgendes Aktivieren des Pols 38 wiederum um 2 mm verschoben und gelangt durch darauffolgendes Aktivieren des Pols 40 in seine zweite axiale Endlage, in der er gegenüber der Grundstellung um ins­ gesamt 8 mm verschoben ist. Durch umgekehrte Reihenfolge in der Erregung der Pole 37 bis 40 kann die Richtung der Axial­ verschiebung umgekehrt werden. Der Bewegungsablauf wird durch das Schema der Fig. 7 verdeutlicht, in der die gleichen Bezugs­ ziffern wie in den Fig. 4 und 5 verwendet werden.

Die schrittweise Drehung des Rotors 41 erfolgt in an sich be­ kannter Weise durch abwechselnde Erregung der Pole 33 bis 36. Es ist ersichtlich, daß die schrittweise Drehbewegung des Ro­ tors 41 in jeder der geschilderten axialen Verschiebungslagen des Rotors erfolgen kann. Die Breite und Winkellage der Pole 37 bis 40 der für die Axialverschiebung maßgeblichen Joche 31 und 32 gegenüber der Polradteilung bewirkt, daß die in Dreh­ richtung wirkende resultierende magnetische Kraftkomponente der Pole 37 bis 40 Null ist und der Rotor somit nicht durch An­ steuerung des axial wirkenden Erregungssystems eine Drehbewe­ gung ausführt.

Ein Motor gemäß diesem Ausführungsbeispiel erlaubt eine sehr kompakte, in axialer Richtung flache Bauweise, wobei infolge des verwendeten Hybrid-Systems ein hohes Drehmoment entwickelt wird. Ein vergleichbarer Aufbau ist selbstverständlich auch mit einer anderen Polzahl, insbesondere mit verdoppelter Pol­ zahl denkbar, wobei sich zweckmäßigerweise gleichzeitig zu aktivierende Pole gegenüberliegen, so daß auf Welle und Lager einwirkende radiale Kräfte sich gegenseitig aufheben.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 dargestellt, bei dem drei in Wicklungsträger 56 bis 58 eingebettete Ringspulen 59 bis 61 axial übereinander angeordnet sind. Sowohl oberhalb als auch unterhalb einer jeden Ringspule 59 bis 61 sind schei­ benförmige Bleche 62 bis 67 aus magnetisch leitfähigem Material angeordnet, aus denen schmale Stege ausgeklinkt und derart nach innen abgewinkelt sind, daß sich innerhalb einer jeden Ring­ spule 59 bis 61 eine Folge von Polen 68, 69 entlang der Innen­ wand der jeweiligen Ringspule ergibt. Die Polteilung ist dabei für alle drei Ringspulen gleich, die Pole 68, 69 der beiden äußeren Ringspulen 59, 61 sind phasengleich angeordnet und die Pole der mittleren Ringspule sind phasenversetzt angeordnet. Das Motorgehäuse 70 bildet den magnetischen Rückschluß.

Auf der in Gleitlagern 71, 72 axial verschiebbar gelagerten Welle 73 ist ein Rotor 74 mit permanentmagnetischen Zähnen 75 befestigt, der angenähert eine axiale Länge entsprechend der doppelten Höhe eines Spulensystems aufweist. Bei wechselweiser Ansteuerung der unteren Spule 61 über deren Zuleitungen 76 und der mittleren Spule 60 über die Zuleitungen 77 nimmt der Rotor seine untere axiale Endlage ein und wird schrittweise gedreht. Bei wechselweiser Ansteuerung der oberen Spule 59 über deren Zuleitungen 78 und der mittleren Ringspule 60 nimmt der Rotor 74 seine axiale obere Endlage ein und wird ebenfalls schritt­ weise gedreht. Wird hingegen nur eine der beiden äußeren Ring­ spulen 59, 61 angesteuert, so nimmt der Rotor 74 die entsprech­ ende Endlage ein, führt aber keine Drehbewegung aus. Auch hier sind demzufolge zwei Erregungssysteme vorgesehen, von denen eines (Ringspulen 59, 61) für die axiale Relativverschiebung des Rotors 74 gegenüber dem Stator, das andere (Ringspule 60 im wechselweisen Zusammenwirken mit einer der Ringspulen 59 bzw. 61) für die Drehbewegung des Rotors maßgebend ist. In dem Motor dieses Ausführungsbeispiels - wie auch in denen der beiden anderen Ausführungsbeispiele - kann es darüberhinaus zweck­ mäßig sein, eine Rückholfeder anzuordnen, durch die der Rotor im nicht angesteuerten Zustand des jeweiligen Erregungssystems. für die Axialverschiebung in eine definierte axiale Ausgangs­ lage gebracht wird.

Die permanentmagnetischen Zähne 75 des Rotors 74 der Fig. 6 können dadurch gebildet sein, daß auf die zylindrische Außen­ fläche des Rotors solche "per radialer Magnetisierung" quasi aufgeprägt sind oder/und diese können durch nutartige axial lau­ fende Ausnehmungen in der genannten Außenfläche beiderseits der Zähne gebildet bzw. noch wirkungsvoller ausgeprägt sein.

Ein viertes Ausführungsbeispiel zeigen die Fig. 8 bis 14, bei dem das Erregungssystem für die schrittweise Drehbewegung eines Rotors 80 ringförmig innerhalb desselben, während das Erregungssystem für die axiale Verschiebung ringförmig außer­ halb desselben untergebracht ist. Der Rotor 80 ist z.B. topfförmig ausgebildet. Im flach ausgebildeten Bodenteil 82 ist zentrisch eine axial verschiebbare Welle 83 befestigt. Die zylindrische Innenwand des topfförmigen Rotors 80 weist sechs radial nach in­ nen gerichtete ausgeprägte Pole 81 auf, die am Umfang äquidistant zueinander angeordnet sind. Die Pole 81 verlaufen parallel zur Achse und haben über ihre gesamte axiale Länge durchgehend den gleichen Querschnitt. Die zylindrische Außenwand des Rotors 80 weist im Schnitt die Grundform einer Zahnstange auf, wobei die einzelnen Zähne 84 ringartig über den gesamten Umfang der Außen­ wand verlaufen und durch Nuten 85 getrennt parallel im wesent­ lichen über die gesamte axiale Länge im gleichen Abstand zueinan­ der angeordnet sind. Zähne 84 und Nuten 85 haben aus Fertigungs­ gründen trapezförmige Kontur.

Die Erregungssysteme für die Bewegungen des Rotors 80 sind in einem Gehäuse 86 untergebracht. Zwei Lager 87, beispielsweise Sinterlager, die im Gehäuse 86 befestigt sind, dienen zur Lagerung der Welle 83.

In diesem Ausführungsbeispiel (Fig. 8) besteht das Erregungs­ system für die Drehbewegung des Rotors 80 aus einem inneren Sta­ tor, der aus zwei identischen Statorelementen 88 und einer axial dazwi­ schen liegenden axial magnetisierten Permanentmagnetscheibe 89 zusammengesetzt ist. Das Statorelement 88 enthält an jeder Stirnseite je eine Polscheibe 90 mit sechs äquidistanten ausge­ prägten Polen 91, die radial nach außen gerichtet sind und mit geringem radialen Abstand den Polen 81 des Rotors 80 gegenüber­ stehen. Die Polmitten der Pole 91 der beiden Polscheiben 90 ei­ nes Statorelements 88 sind umfangsmäßig 30° zueinander ver­ setzt angeordnet. Zischen den Polscheiben ist eine Ringspule 92 mit Zuleitungen 93 eingebettet.

Die beiden identischen Statorelemente 88 sind bezüglich ihrer Pol­ mitten zusätzlich umfangsmäßig um 15° zueinander verdreht ange­ bracht. Es liegt nur jeweils ein diametral gegenüberliegendes Pol­ paar 91 der vier axial versetzten Polscheiben 90 einem entsprech­ enden über die ganze axiale Länge des Rotors 80 verlaufenden eben­ falls diametral angeordneten Polpaar 81 des Rotors gegenüber.

Das Erregungssystem für die axiale Verschiebung des Rotors 80 beinhaltet einen äußeren Stator. Dieser Stator besteht aus zwei Statorringen 98, die durch eine Permanentmagnetscheibe 99 axial voneinander getrennt konzentrisch zum Rotor 80 im Gehäuse 86 befestigt sind. Der Statorring 98 besteht aus zwei Polscheiben 94, die die Form eines flachen Topfes haben und am Topfrand mittels eines geeigneten Verbindungsverfahrens miteinander ver­ bunden sind. Im äußeren Durchmesserbereich zwischen den Pol­ scheiben 94 ist eine Ringspule 95 mit Zuleitungen 96 angeordnet. Zur Führung der Zuleitungen 96 weist die durchgehende Innen­ bohrung 97 der Polscheibe 94 eine Ausnehmung 100 auf. Der Durch­ messer der Innenbohrung 97 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Zähne 84 der Außenwand des Rotors 80. Die umfangsmäßig nicht unterbrochenen ringartigen Zähne 84 ergeben im Zusammenwirken mit der kreisrunden Innenkante (Innenbohrung 97) der Polscheiben 94 eine größere Kraft.

Der axiale Abstand der Mitten der Polscheiben 94 des einen Statorringes 98 ist so gestaltet. daß die eine Polscheibe 94 einem Zahn 84 des Rotors 80 genau gegenübersteht, während die andere Polscheibe 94 einer Nut gegenübersteht. Der axiale Ab­ stand des zweiten Statorringes 98 zum ersten Statorring ist so gewählt, daß die Mitte der Polscheiben 94 des zweiten Stator­ ringes 98 im wesentlichen jeweils mittig zwischen Zahn 84 und Nut 85 des Rotors 80 liegt. Hierfür ist die axiale Dicke des Perma­ nentmagneten 99 maßgebend. Die vorbeschriebene Betrachtung ist auf einen feststehenden Rotor bezogen.

Ein Ausführungsbeispiel wurde so ausgeführt, daß die Mitten der Polscheiben 94 des Statorringes 98 soweit axial voneinander entfernt sind, daß die eine Polscheibe 94 einem Zahn 84, während die andere Polscheibe 94 der Nut 85, die dem nächsten Zahn 84 folgt, gegenübersteht, d. h. auf die Zahnteilung T der Zähne 84 bezogen: 1,5 mal T, oder allgemein ausgedrückt: (n+0,5) mal T. Die beiden identischen Statorringe 98 sind axial so beabstandet, daß die äußeren Polscheiben 94 4,25 mal T und die inneren Pol­ scheiben 94 1,25mal voneinander entfernt sind. (Diese Entfer­ nung ist die zwischen den axialen Mitten der Polscheiben). Die axialen Mitten der innenliegenden Polscheiben 94 sind allgemein ausgedrückt (n+0,25) mal T axial voneinander entfernt.

Durch diese Anordnung steht in jeder axialen Rotorstellung nur jeweils ein Zahn 84 einer Polscheibe 94 genau gegenüber.

Im stromlosen Zustand bewegt eine Feder 102 den Rotor 80 in seine Ausgangsstellung.

Je nach Verwendungszweck lassen sich durch Änderung der Zahn­ teilungsabmessung die Schritte vergrößern oder verkleinern oder man erhält für eine bestimmte Länge mehr oder weniger Schritte.

Im Ausführungsbeispiel ist die axiale Länge der beiden Erre­ gungssysteme zufällig gleich groß.

Die Pole 91 können je nach Fertigungsmethode des Motors auch klauenartige abgewinkelte Polköpfe besitzen.

Die Fig. 15 zeigt eine Variante zur Fig. 8. Die gleich be­ zifferten Teile sind in Fig. 8 beschrieben.

Claims (43)

1. Elektromotor mit ausgeprägten Polen am Rotor und/oder Stator und einem Erregungssystem mit einer Wicklung mit selektiv ansteuerbaren Spulen für eine schrittweise Dreh­ bewegung des Rotors, dadurch gekennzeichnet, daß Rotor und Stator in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar gelagert sind, und daß zusätzlich zum Erregungssystem für die Drehbewe­ gung des Rotors ein weiteres Erregungssystem für eine axiale Relativverschiebung vorgesehen ist und beide Erre­ gungssysteme unabhängig voneinander ansteuerbar sind.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rotor und Stator min­ destens ein zylindrischer Luftspalt vorhanden ist und daß die Erregungssysteme symmetrisch zur Rotorachse, insbe­ sondere koaxial zu ihr, angeordnet sind.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem für die schrittweise Drehbewegung und das Erregungssystem für die axiale Relativverschiebung in axialer Richtung übereinander angeordnet sind.

4. Elektromotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in axialem Abstand zum Rotor ein mittel- oder unmittelbar auf den Rotor einwirkender, in erregtem Zustand den Rotor axial verschiebender Elektromag­ net (10, 13) angeordnet ist und daß das Erregungssystem für die Drehbewegung des Rotors derart ausgestaltet ist, daß der Rotor sich in beiden axialen Endstellungen in dessen Wir­ kungsbereich befindet.

5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die axiale Verschiebung eine Ringspule (10) um die Welle (3) herum und fest auf der Welle (3) ein ferromagnetisches Ankerteil (16) angeordnet ist und daß Ringspule (10) und Ankerteil (16) in der Art eines Tauchankermagneten zusammenwirken.

6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ankerteil (16) kegelförmig und der Innenraum der Ringspule (10) hohlkegelförmig ausge­ staltet sind.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspule (10) zylindrisch gewickelt und auf einem hohlkegelförmigen ferromagnetischen Flußleitstück (13) angeordnet ist.

8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor zwei gleichartig ge­ nutete Polräder (6, 7) aufweist, die parallel zueinander auf den Stirnseiten eines axial magnetisierten ringförmigen Permanentmagneten (8) derart angeordnet sind, daß die Zähne (17) um die halbe Zahnteilung gegeneinander versetzt sind.

9. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das für die schrittweise Dreh­ bewegung des Rotors vorgesehene Erregungssystem von einer zylindermantelförmigen eisenlosen Wicklung (2) gebildet wird, deren Spulen (19-22, 19′-22′) in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die Spulendrähte im Bereich der Axialbewegung des Rotors im wesentlichen paral­ lel (23) zur Welle (3) verlaufen und daß die Wicklung (2) von einem ferromagnetischen Mantel (1) umschlossen ist.

10. Elektromotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Wicklungsspu­ len (19-22, 19′-22′) annähernd der halben Zahnteilung der Polräder (6, 7) entspricht.

11. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Erregungssystem für die schrittweise Drehbewegung als auch das Erregungssystem für die axiale Relativverschiebung in einer gemeinsamen ringförmigen Anordnung vorgesehen sind und der Rotor (41) aus zwei gleichartigen in axialem Abstand voneinander an­ geordneten genuteten Polrädern (51, 52) mit gleichgerichte­ ten Zähnen (53) gebildet ist, wobei das Erregungssystem für die Drehbewegung ausgeprägte Pole (33, 36) einer derar­ tigen axialen Höhe aufweist, daß sich mindestens eines der Polräder in den axialen Endlagen des Rotors (41) voll im magnetischen Wirkungsbereich dieser Pole (33-36) befindet, und wobei das Erregungssystem für die axiale Relativver­ schiebung ausgeprägte Pole (37-40) gleicher Höhe aufweist, die in axialer Richtung versetzt angeordnet sind.

12. Elektromotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Verschiebeweg in Einzelhübe unterteilt und für jeden Einzelhub mindestens ein Pol (37-40) des Erregungssystems für die axiale Rela­ tivverschiebung vorgesehen ist, wobei jeder Pol (37-40) eine der axialen Länge der Polradzähne (53) entsprechende Höhe aufweist und die versetzte Anordnung der Pole (37-40) den Einzelhüben entspricht.

13. Elektromotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite sowie die Winkel­ lage der für die Drehbewegung des Rotors maßgeblichen Pole (33-36) in Bezug auf die Polradzähne (53) im Sinne einer Drehbewegung bei wechselweiser Erregung der (Drehbewegungs-) Pole (33-36) gewählt ist und daß die Breite und Winkellage der für die Axialverschiebung maßgeblichen Pole (37-40) derart gewählt ist, daß in jeder Drehstellung des Rotors (41) die resultierende in Drehrichtung wirkende magnetische Kraftkomponente eines oder mehrerer erregter (Axialver­ schiebungs-)Pole (37-40) Null ist.

14. Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Polräder (51, 52) des Rotors (41) 6-polig und der Stator 8-polig ausgebildet sind, wobei vier Statorpole (33-36) für die Drehbewegung und vier Sta­ torpole (37-40) für die axiale Verschiebebewegung vorge­ sehen sind.

15. Elektromotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Drehbewegungs- Pole (33-36) ungefähr der Umfangsbreite eines Polradzahnes (53) entspricht.

16. Elektromotor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Axialverschie­ bungs-Pole (37-40) ungefähr der eineinhalbfachen Umfangs­ breite eines Polradzahnes (53) entspricht.

17. Elektromotor nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Polradzähne (53) die gleiche Breite wie die Polradnuten (54) aufweisen.

18. Elektromotor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegungs-Pole (33-36) und die Axialverschiebungs-Pole (37-40) jeweils paarweise im Wechsel nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei die Pole eines Drehbewegungs-Polpaares (33, 34 bzw. 35, 36) eine Breite von ungefähr 30° aufweisen und mit geringem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, die Pole eines Axialbewegungs-Polpaares (37, 38 bzw. 39, 40) eine Breite von ungefähr 45° aufweisen und mit einem gegenseitigen Ab­ stand von ungefähr 15° angeordnet sind, zwischen dem einen Axialverschiebungs-Polpaar (39, 40) und den Drehbewegungs- Polpaaren (33, 34 bzw. 35, 36) ein Abstand von ungefähr 15° vorgesehen ist und das andere Axialverschiebungs-Pol­ paar (37, 38) mit geringem Abstand zu den Drehbewegungs- Polpaaren (33, 34 bzw. 35, 36) angeordnet ist.

19. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das Erregungssystem für die Drehbewegung des Rotors (41) sowohl Wicklungsspulen (42-45) als auch Permanentmagnete (46-49) aufweist, die derart mit den Polen (33-40) des Stators in Wirkverbindung stehend angeordnet sind, daß der von den Permanentmagneten (46-49) hervorgerufene magnetische Fluß in den Polen (33- 40) durch die Wirkung erregter Wicklungsspulen (42-45) verstärkend oder verringernd beeinflußbar ist.

20. Elektromotor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (33-40) eines jeden Polpaares (33, 34/35, 36/37, 38/39, 40) magnetisch leitend miteinander verbunden sind und zwischen benachbar­ ten Polpaaren jeweils ein Permanentmagnet (46-49) derart angeordnet ist, daß auf beiden Seiten ein und desselben Polpaares gleichnamige Permanentmagnetpole liegen, und daß jedes Polpaar mit einer Wicklungsspule (42-45) ver­ sehen ist.

21. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei gleichartige ringförmige Erregungssysteme axial nebeneinander angeordnet sind, die jeweils eine Ringspule (59, 60, 61) und ausgeprägte Pole (68, 69) aufweisen, daß die beiden äußeren Erregungssysteme mit gleichphasigem und das mittlere Erregungssystem mit phasenverschobenem Verlauf der Pole (68, 69) angeordnet sind und daß ein axial verschiebbarer Rotor (74) mit per­ manentmagnetischen Zähnen (75) vorgesehen ist, dessen axiale Höhe derart bemessen ist, daß er sich in jeder seiner axialen Endlagen im magnetischen Wirkungsbereich des mittleren und eines äußeren Erregungssystems befindet, wobei die Drehbewegung durch wechselweise Erregung des mittleren und eines äußeren Erregungssystems veranlaßt wird und der Rotor (74) eine axiale Lage entsprechend dem angesteuerten äußeren Erregungssystem einnimmt.

22. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückholfeder zwischen Rotor und Motorgehäuse vorgesehen ist, durch die der Rotor in seine eine axiale Endlage verschiebbar ist.

23. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem für die schrittweise Drehbewegung koaxial innerhalb des Rotors (80) und das Erregungssystem für die axiale Relativbewegung koaxial außerhalb des Rotors (80) angebracht ist.

24. Elektromotor nach Anspruch 1 od. 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem für die schrittweise Drehbewegung in einem Gehäuse (86) ringförmig zwischen einer Welle und der im wesentlichen zylindrischen Innenwand des Rotors (80) und das Erregungssystem für die axiale Relativbewe­ gung ringförmig außerhalb des Rotors (80) angebracht ist.

25. Elektromotor nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeich­ net, daß die statorseitigen Erregungssysteme jeweils per­ manentmagnetisch (Permanentmagnetscheiben 89, 99) sind.

26. Elektromotor nach Ansprüchen 23 bis 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Erregungssystem für die Drehbewegung aus zwei axial durch die axial magnetisierte Permanentmagnet­ scheibe (89) beabstandeten Statorelemente (88) besteht.

27. Elektromotor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorelemente zwei Ringspulen mit ebenen Polscheiben (90) beiderseits aufweisen, die Polmitten radial außen um 30° zueinander versetzt sind.

28. Elektromotor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorlemente (88) um 15° zueinander verdreht sind.

29. Elektromotor nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem für die axiale Relativbewegung aus zwei axial durch die axial magnetisierte Permanentmagnetscheibe (99) beabstandeten Statorringen (98) besteht, welche zwei Ringspulen (95) mit je zwei benachbar­ ten Polscheiben (94) mit kreisrunder Innenbohrung (97) auf­ weisen.

30. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 29, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem für die axiale Relativverschiebung mit min­ destens einer Wicklung versehen ist.

31. Elektromotor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem für die schrittweise Drehbewegung und das Erregungssystem für die axiale Relativverschiebung in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, wobei der Rotor Permanentmagnete aufweist.

32. Elektromotor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregungssystem für die schrittweise Drehbewegung und das Erregungssystem für die axiale Relativverschiebung axial mindestens angenähert in gleicher Position angeordnet sind und wobei statorseitig Permanentmagnete vorgesehen sind.

33. Elektromotor nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete mit beiden Erregungssystemen zusammen­ wirken.

34. Elektromotor nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erregungssysteme radial distanziert sind, vorzugsweise Ringspulensysteme unterschiedlichen Durchmessers innerhalb und außerhalb des Rotors bilden.

35. Elektromotor nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erregungssysteme auf einem Stator­ ringeisenkörper sektorielle Gruppen bilden, die symmetrisch zueinander liegende Spulen aufweisen.

36. Elektromotor nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (6-8, 41, 74, 80) auf einer im Motorgehäuse (1, 70, 86) axial verschiebbar gelagerten Welle (3, 50, 73, 83) befestigt ist.

37. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichartig genuteten Polräder (6, 7; 51, 52) am Umfang konzentrierte Pole auf­ weisen.

38. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (41) mindestens zwei gleichartig genutete axial fluchtende Rolräder (51, 52) ohne permanentmagnetische Erregung aufweist.

39. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (74) mit einem ra­ dial nach innen gerichteten Rückschluß versehen ist.

40. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der hohlzylindrische Rotor (80) an seiner Innenwand umfangsmäßig äquidistant ange­ ordnete Pole (81) enthält.

41. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Rotors äquidistante Umfangsrillen von vorzugsweise trapezför­ migem Querschnitt bildet, sodaß eine Axialzahnung auf der Außenfläche entsteht, und wobei die Nut- und Zahnkopf­ breite gleich groß ist und die Zahnteilung das Maß T hat.

42. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Mitten der beiden Pol­ scheiben (94) des Statorringes (98) (n+0,5) mal T axial voneinander entfernt sind.

43. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand der axialen Mitten der beiden innenliegenden Polscheiben (94) der identischen Statorringe (98) (n+0,25) mal T beträgt.