DE69108598T2

DE69108598T2 - Zwei Drehungsachse aufweisendee elekrischer Gleichstrommotor, insbesondere für einen optischen Sucher.

Info

Publication number: DE69108598T2
Application number: DE69108598T
Authority: DE
Inventors: Francois Courrier; Henri Gilbert; Olivier Guillemaille; Olivier Ruas
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1991-02-19
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2011-02-20
Also published as: DK0453328T3; FR2658673A1; EP0453328A3; ATE120897T1; FR2658673B1; GR3015697T3; EP0453328B1; ES2070450T3; EP0453328A2; DE69108598D1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Gleichstrommotor mit einem Rotor mit zwei Freiheitsgraden, d.h. der geeignet ist, sich im Verhältnis zu zwei Rotationsachsen zu drehen, wie dieser im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definiert ist.
Ein solcher Elektromotor mit zwei Rotationsachsen kann in jeder Anwendung verwendet werden, wo es notwendig ist, ein Präzessionsmoment mit einer geraden Richtung zu liefern mit einem begrenzten Auslenkungswinkel. Dies ist insbesondere der Fall für Visiervorrichtungen (z.B. Visierung eines Strahlendetektors, eines Selbstausrichters für Raketen usw.).
Man kennt schon motorisierte Vorrichtungen mit einem beweglichen Organ (Rotor), der im Verhältnis zu zwei Achsen drehbar ist. Jedoch weisen diese bekannten Vorrichtungen zwei verschiedene Wicklungspaare oder Paare einer Gesamtheit von verschiedenen Wicklungen auf, die notwendigerweise voluminös sind. Es kann sich beispielsweise um individuelle elektrische Motoren handeln, die periphär jeweils auf den gegenseitig beweglichen Rahmen einer Kardananordnung angeordnet sind. Zusätzlich zu der Tatsache, daß diese Anordnungen voluminös sind, sind diese bekannten Anordnungen auch gleichfalls schwer.
Die Erfindung hat deshalb im wesentlichen zur Aufgabe, einen verbesserten Aufbau eines Elektromotors vorzuschlagen, der es erlaubt, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden, und der besser den verschiedenen Anforderungen genügt, indem ein Elektromotor mit einem im Verhältnis zu zwei Achsen drehbaren Rotor vorgeschlagen wird, der kompakter und leichter als die Paare von bisher gebrauchten Motoren ist.
Zu diesem Zweck ist ein Elektromotor in Übereinstimmung mit der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet des Rotors einzig und mit einer radial gerichteten Polarisation ist, daß das Umkehrstück für den Statorfluß (7) einzig ist und auf die Ruheposition des Rotors zentriert ist, und daß die gekreuzten Spulen (8) des Stators zweifach sind und ein einziges Paar bilden und in radialer Richtung um das Umkehrstück für den Statorfluß (7) gewickelt sind.
Aufgrund dieses Aufbaus ist der Rotor geeignet, in eine Ruheposition (oder in eine gerichtete Position) durch Drehung um das Rotationszentrum entlang einer und/oder der anderen der Freiheitsgrade ausgelenkt zu werden, in Funktion elektrischer Anregungen, die jeweils auf die Spulen des Stators angewendet werden.
Der Wirkungsgrad des Motors wird deutlich durch die Gegenwart eines Umkehrstückes für den Rotorfluß erhöht, welches mit dem Magneten des Rotors gegenüberliegend zum Stator verbunden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor einen Arm auf, der derart unterstützt ist, daß er sich um das Rotationszentrum drehen kann, und zwar gemäß den zwei vorbeschriebenen Freiheitsgraden, und mit seinem freien Ende den Permanentmagneten trägt.
Für bestimmte Anwendungen können die gegenüberliegenden Flächen des Rotors und des Stators die Form einer sphärischen Kalotte, jeweils konvex und konkav, aufweisen und etwa parallel zueinander sein, derart, um einen konstanten und minimalen Luftspalt im ganzen Auslenkungsbereich des Rotors zu haben.
Nach einem ersten möglichen Ausführungsbeispiel sind winkelförmige Auslenkungsbereiche des Rotors im Verhältnis zu jeder der zwei Rotationsachsen vorgesehen, und das Umkehrstück für den Statorfluß weist dann eine rechtwinklige oder quadratische Form auf, wobei die winkelförmigen Auslenkungen einerseits und andererseits der Ruheposition verschieden sein können, dies für jede der Rotationsachsen. Die Umhüllende der Auslenkungen des Rotors ist dann eine Pyramide, symmetrisch oder unsymmetrisch.
Nach einer zweiten möglichen Ausführungsform ist ein winkelförmiger Auslenkungsbereich des Rotors im Verhältnis zum Rotationszentrum vorgesehen, und das Umkehrstück für den Statorfluß besitzt dann eine ringförmige Kontur (Maximalwert der Dezentrierung), wobei die Umhüllende der Auslenkungen des Rotors dann ein Konus ist.
Es ist möglich, daß das Rotationszentrum von einer sphärischen Anlenkung gebildet ist, welche jede Freiheit in Bezug auf die Architektur der Gesamtheit des Motors läßt.
Im häufigsten Falle, wo die beiden Rotationsfreiheitsgrade durch das Verhältnis von zwei rechtwinkligen Achsen bestimmt sind, sind die beiden Spulen des Stators gegenseitig rechtwinklig und das Rotationszentrum wird durch eine sphärische Anlenkung oder eine kardanische Anlenkung mit zwei rechtwinkligen Achsen bestimmt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird wenigstens eine der Spulen von zwei unabhängigen Halbspulen gebildet, die sich jeweils zu beiden Seiten der Ruheposition erstrecken und unabhängig erregbar sind. So ist es durch eine geeignete Steuerung jeder Halbspule möglich, das Motordrehmoment zu steigern, während der Rotor sich in ausgelenkter Position, insbesondere in stark ausgelenkter Position befindet.
Der Elektromotor gemäß der Erfindung genügt so vollständig den gewünschten Anforderungen aufgrund der Tatsache, daß er vor allem einen Rotor besitzt, der geeignet ist, im Verhältnis zu zwei Drehachsen zu drehen, wobei die Anordnung der beiden korrespondierenden Statorspulen auf demselben Magnetgestell des Stators es erlaubt, Volumen und Gewicht zu sparen.
Die Erfindung wird anhand der Lektüre der nachfolgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden, die anhand von beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsbeispielen folgt. In dieser Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
- die Figur 1 eine sehr schematische Ansicht von der Seite eines erfindungsgemäßen Elektromotors ist;
- die Figuren 2A und 28 schematische Ansichten zweier möglicher Ausführungsformen des Umkehrstückes für den Statorfluß für einen Motor nach Figur l sind;
- die Figur 3 eine schematische Seitenansicht im Schnitt eines konkreten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Motors mit einem Umkehrstück für den Statorfluß nach Figur 2A ist;
- die Figuren 4 und 5 Schemazeichnungen sind, die die magnetischen Feldlinien des erfindungsgemäßen Motors in zwei verschiedenen Funktionspositionen zeigen;
- die Figur 6 eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante eines Stators des Motors nach Figur 1 ist;
- die Figur 7 ein Diagramm ist, das die Variation des Vergrößerungsfaktors des Motors nach Figur 6 in Funktion vom Winkelwert der Auslenkung des Rotors zeigt, und
- die Figuren 8A und 88 zwei Diagramme sind, die das Steuerungsprinzip für die beiden Halbspulen des Motors nach Figur 6 zeigen.
Mit Bezug zuerst auf die Figur 1 weist ein Gleichstrommotor in Übereinstimmung mit der Erfindung einen Rotor 1 und einen Stator 2 auf.
Der Rotor weist einen Arm 3 auf, der um einen Punkt O mit zwei Rotationsfreiheitsgraden jeweils um die Achsen OY und OZ drehbar ist, wobei die drei Achsen OX (Achse des Armes 3 in der Ruheposition - siehe nachfolgend), OY und OZ gegenseitig rechtwinklig sind (OZ ist rechtwinklig zur Zeichenebene). An seinem freien Ende trägt der Arm 3 einen Permanentmagneten 4 (die Richtung der Feldlinien ist durch Pfeile 5 angedeutet), an dessen Rückteil ein Umkehrstück 6 für den Statorfluß (ein Stück, das den magnetischen Fluß kanalisiert) vorgesehen ist.
Der Stator 2 weist einen festen Beschlag auf, der ein Umkehrstück 7 für den Statorfluß bildet, welcher auf der Achse OX zentriert ist und auf dem zwei unabhängige Wicklungen 8 in radialer Richtung aufgewickelt sind und in gekreuzter Anordnung in Übereinstimmung mit der wechselseitigen Position der Achsen OY und OZ angeordnet sind (hier gegenseitig rechtwinklig). In der Figur 1 ist nur eine der beiden Wicklungen 8 zu erkennen (die andere Wicklung ist auf dieselbe Weise rechtwinklig zur Zeichenebene angeordnet).
Jeweils für die beiden Spulen getrennte elektrische Steuerungen oder Anregungen erlauben eine Drehung des Rotors um den Punkt O im Verhältnis zu den Achsen OY und OZ hervorzurufen. Man kann so einen Ablenkungswinkel α definieren, welcher der Winkel ist, der durch die Achse des Armes 3 mit der Bezugsachse OX gebildet ist. Für α = O (die Achse des Armes fällt mit der Achse OX zusammen, diese Position ist in Figur 1 dargestellt), ist der Rotor in der "ausgerichteten Position".
Die Drehungen des Rotors sind begrenzt auf eine winkelförmige Auslenkung unterhalb von 180º im Prinzip und in der Praxis übersteigen sie nicht 60º bis 70º.
Die Drehungen des Rotors sind winkelförmig begrenzt:
- sei es durch Definierung eines maximalen Dezentrierungswinkels, wobei die Umhüllende der Positionen des Rotors dann einen Konus mit der Spitze O und der Achse OX ist, wobei das Umkehrstück für den Statorfluß 7 dann eine ringförmige Kontur aufweisen kann. Die Figur 2A zeigt ein solches Stück in Vorderansicht, auf welchem zwei Anordnungen von Schlitzen sichtbar sind, jeweils 9a und 9k, welche gegenseitig um 90º zueinander ausgerichtet sind und vorgesehen sind, um die beiden rechtwinkligen Spulen 8a und 8b aufzunehmen, die nicht detailliert, sondern nur symbolisch angedeutet durch gestrichelte Linien dargestellt sind). Das Stück 7 ist mit Ösen 10 versehen, die radial über ihre Befestigung am Gehäuse des Motors hervorragen;
- sei es durch Definierung von maximalen Rotationswinkeln jeweils um die Achsen OY und OZ, wobei die maximalen Winkel übrigens jeweils für OY und OZ verschieden sein können und jeweils einerseits und andererseits der Achse OX verschieden sein können, wobei die Umhüllende der Positionen des Rotors dann eine Pyramide mit der Spitze O und einer quadratischen (Winkel gleich für OY und OZ) oder rechteckigen (Winkel verschieden für OY und OZ) Basis ist, symmetrisch (identische Auslenkungen einerseits und andererseits von OX) oder asymmetrisch (Auslenkungen α&sub1;, α&sub2;, α&sub3;, α&sub4; verschieden einerseits und andererseits von OX). Die Figur 28 zeigt gestrichelt die Kontur eines Umkehrstückes für den Statorflui3, welches in einem solchen Falle einer Umhüllenden in Form einer Pyramide mit einer rechteckigen asymmetrischen Basis realisierbar ist, wobei die Anordnung der Schlitze identisch zu der nach Figur 2A ist und nicht nochmals dargestellt ist.
Die Anlenkung des Armes 3 mit doppelter Drehung kann auf jede geeignete technische Lösung erfolgen, die dem Fachmann bekannt ist. Die häufigsten sind sphärische Gelenke und vor allem eine kardanische Anlenkung mit zwei Achsen, welche am einfachsten zu realisieren ist.
Die Figur 3 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgeführten Motors mit einem Umkehrstück für den Statorfluß 7 in Übereinstimmung mit der Figur 2A und einer kardanischen Anlenkung 12 des Armes 3 mit zwei jeweils rechtwinkligen Achsen 13 und 14, wobei die Achse 14 des Kardangelenkes und das Stück 7 an einem den Motor umgebenden Gehäuse 15 befestigt sind.
Bei den in den Figuren 1 und 3 gezeigten Motoranordnungen weisen die jeweils dem Rotor und dem Stator gegenüberliegenden Flächen die Form einer sphärischen Kalotte auf, jeweils konvex und konkav, und sind etwa parallel zueinander. Man erhält einen etwa konstanten und so kleinen Luftspalt, wie dies auf dem ganzen Bereich der winkelförmigen Auslenkung des Rotors gewünscht ist. Außerdem ist das Volumen des Magneten wichtiger. Jedoch kann man genauso gut auch andere Konfigurationen des Rotors und/oder des Stators wählen, um besondere Effekte in Abhängigkeit von der jeweiligen Funktion des Motors zu erreichen.
In den Figuren 4 und 5 hat man die Konfigurationen der magnetischen Flußlinien (Linien gleicher Feldstärke) in zwei verschiedenen Funktionspositionen dargestellt, nämlich in der zentrierten Position gemäß Figur 4 und in einer ausgelenkten Position gemäß Figur 5.
Man stellt fest, daß der Teil der Spule, der an der konkaven Seite des Umkehrstückes für den Statorfluß angeordnet ist, durch das vom Permanentmagneten des Rotors erzeugte Magnetfeld "gebadet" ist, während der Bereich der Spule, der an der konvexen Seite des Umkehrstückes für den Fluß angeordnet ist, praktisch nicht mehr dem Magnetfeld ausgesetzt ist, unabhängig von der Position des Rotors.
Daraus resultiert, daß durch Hindurchtretenlassen eines Stromes der Intensität I&sub1; in einer der Spulen (Spule Nr. 1) man ein Motormoment K&sub1; I&sub1; erzeugt, das auf den Rotor entlang der Achse OY wirkt, und durch Kupplung der Achse erzeugt man gleichermaßen ein Moment α&sub1; I&sub1;, welches auf den Rotor entlang der Achse OZ wirkt. Auf gleiche Weise erfolgt dies bei der Anregung der anderen Spule (Spule Nr. 2).
Das gesamte auf den Rotor wirkende Moment ist dann:
- entlang OY : CY = K&sub1; I&sub1; + α&sub2; I&sub2;
- entlang OZ : CZ = K&sub2; I&sub2; + α&sub1; I&sub1;.
Die Werte des Momentes α&sub1; I&sub1; sind im Absolutwert geringer als die direkten Werte KiIi
(αiIi ≈ KiIi/19 mit i = 1 oder 2).
Die Koeffizienten K&sub1; und K&sub2; werden Verstärkungsfaktoren des Motors genannt. Sie hängen wesentlich von der Geometrie des Systems und der Position des Rotors ab.
Wenn die Motorströme I&sub1; und I&sub2; Null sind, existiert ein zurückbleibendes Moment CR, das auf den Rotor wirkt. Dieses Moment CR resultiert aus der Gegenwart des Umkehrstückes für den Statorfluß vor dem Magneten. Physisch hat der Rotormagnet die Tendenz sich gegenüber zum Umkehrstück für den Statorfluß derart zu positionieren, um den Durchtritt des magnetischen Flusses zu erleichtern, d.h., um die Gesamtenergie des Systems zu minimalisieren. Das zurückbleibende Moment CR hängt prinzipiell vom Auslenkungswinkel α ab und ist praktisch rechtwinklig zur Auslenkungsebene, welche durch die Achse des Armes 3 des Rotors und die Bezugsachse OX definiert wird. Es ist möglich, teilweise den Einfluß des zurückbleibenden Momentes CR zu verringern, indem man sinnvollerweise auf dem Stator des Motors Stücke aus magnetischem Material und Stücke aus magnetisierbarem Material anordnet.
Um das Motormoment zu steigern, insbesondere für eine wesentliche Auslenkung des Rotors, kann man vorsehen, daß jede Spule 8a, 8b jeweils von zwei jeweils voneinander unabhängigen Halbspulen 8a1, 8a2 und 8b1, 8b2 gebildet wird. In Figur 6 sind nur die beiden Halbspulen 8b1 und 8b2 sichtbar. Man bildet so zwei Halbmotoren a&sub1;, a&sub2;, entsprechend b&sub1;, b&sub2; für jede Rotationsachse.
Das Interesse an dieser Anordnung erscheint aus den Resultaten des Studiums des Magnetfeldes, das in Figur 7 dargestellt ist. Wenn der Auslenkungswinkel des Rotors einen wesentlichen Wert erreicht, stellt man fest, daß die Verstärkungen der Halbmotoren a&sub1;, a&sub2; oder b&sub1;, b&sub2; umgekehrt sind. Wenn man einen Halbmotor durch einen gegenüber dem anderen umgekehrten Strom ausgehend von einem bestimmten Wert des Auslenkungswinkels des Rotors steuert, kann man den Gesamtvergrößerungsfaktor des Motors auf jeder Rotationsachse steigern.
In Figur 7 repräsentieren die Kurven 16 und 17 die Variationen der Vergrößerungsfaktoren jeweils der Halbmotoren a&sub1; (oder b&sub1;) und a&sub2; (oder b&sub2;) jeweils (auf der Ordinate in Prozenten des Maximalwertes) in Abhängigkeit vom Auslenkungswinkel des Rotors (auf der Abszisse). Man stellt fest, daß der für jeden Halbmotor erhaltene Vergrößerungsfaktor, ausgehend von einem bestimmten Winkelwert (in der Nachbarschaft von ± 13º im dargestellten Falle) sein Vorzeichen wechselt. Der globale Vergrößerungsfaktor des Motors variiert dann, wie dies durch die Kurve 18 dargestellt ist. Um den Verlust des angetriebenen Momentes durch diese Umkehrung des Vergrößerungsfaktors zu kompensieren, reicht es dann, ausgehend von diesen Werten, die Richtung des Stromes des Halbmotors umzukehren, dessen Vergrößerungsfaktor sein Vorzeichen geändert hat (siehe Kurve 19). Der Gewinn an Moment ist deutlich bei gleicher Leistung.
Um das Phänomen eines "Pumpens" zu vermeiden, das entstehen kann, wenn der Rotor um den winkelförmigen Wert der Stromumkehrung oszilliert, ist es wünschenswert, die Umkehrung des Stromes mit einer Hysterese in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors zu realisieren, wie dies jeweils in der Figur 8A für den Halbmotor a&sub1; (oder b&sub1;) und in der Figur 88 für den Halbmotor a&sub2; (oder b&sub2;) dargestellt ist.
Die Steuerung des Halbmotors a&sub1; (oder b&sub1;) kann so auf die folgende Weise bewirkt werden:
- für -13º < α < 30º : keine Umkehrung (Steuerung im Niveau +1)
- für -30º < α < -15º: Umkehrung der Stromrichtung (Steuerung im Niveau -λ, mit λ > O))
- für -15º < α < -13º: man bewahrt die gleiche Stromrichtung (Steuerung im Niveau +1 oder -λ).
Wenn die Position des Rotors um -13º oszilliert, wird die Steuerung bei +1 bleiben; wenn sie um -15º oszilliert, wird die Steuerung bei -λ bleiben. Der Gewinnsprung, der im Moment der Umkehrung des Stromes entstehen wird, wird gering vor dem Gesamtvergrößerungsfaktor des Gesamtmotors bleiben.
Die Steuerung des Halbmotors B wird auf die gleiche Weise erfolgen, nämlich:
- für -30º < α < 13º : keine Umkehrung (Steuerung im Niveau +1)
- für 15º < α < 30º : Umkehrung der Stromrichtung (Steuerung im Niveau -u mit u > O)
- für 13º < α < 15º : man bewahrt die gleiche Stromrichtung (Steuerung im Niveau +1 oder -u
Typischerweise kann man auswählen: z.B. λ = u = 1.

Claims

1. Elektrischer Gleichstrommotor mit einem Rotor mit Permanentmagnet (1), welcher drehbeweglich um ein Rotationszentrum (O) mit zwei Freiheitsgraden und mit einem vorbestimmten winkelförmigen Auslenkungsbereich (α) unterhalb 180º ist, und mit einem Stator (2) mit einem Umkehrstück für den Statorfluß mit unabhängigen, gekreuzten Spulen, die in Übereinstimmung mit den Freiheitsgraden des Rotors angeordnet sind und sich auf den entsprechenden winkelförmigen Auslenkungsbereich des Rotors erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet des Rotors einzig und mit einer radial gerichteten Polarisation ist, daß das Umkehrstück für den Statorfluß (7) einzig ist und auf die Ruheposition des Rotors zentriert ist und daß die gekreuzten Spulen (8) des Stators zweifach sind und ein einziges Paar bilden und in radialer Richtung um das Umkehrstück für den Statorfluß (7) gewickelt sind.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umkehrstück für den Rotorfluß (6) mit dem Magneten (4) des Rotors gegenüberliegend zum Stator verbunden ist.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einen Arm (3) aufweist, der derart getragen ist, daß er sich um das Rotationszentrum (O) drehen kann, und zwar gemäß den zwei vorbeschriebenen Freiheitsgraden, und mit seinem freien Ende den Permanentmagneten (4) trägt.

4. Elektromotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Flächen des Rotors und des Stators die Form einer sphärischen Kalotte jeweils konvex und konkav aufweisen und etwa parallel zueinander sind.

5. Elektromotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er mit winkelförmigen Auslenkungsbereichen (α&sub1;, α&sub2;, α&sub3;, α&sub4;) des Rotors (2) im Verhältnis zu jeder der zwei Rotationsachsen (OY, OZ) versehen ist, und daß das Umkehrstück für des Statorfluß (7) dann eine rechtwinklige oder quadratische Form aufweist.

6. Elektromotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem winkelförmigen Auslenkungsbereich des Rotors im Verhältnis zum Rotationszentrum versehen ist, und daß das Umkehrstück für den Statorfluß (7) dann eine ringförmige Kontur aufweist.

7. Elektromotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationszentrum (O) durch eine sphärische Anlenkung bestimmt ist.

8. Elektromotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Rotationsachsen (OY, OZ) rechtwinklig sind, daß die beiden Spulen (8) des Stators gegenseitig rechtwinklig sind und daß das Rotationszentrum (O) durch eine sphärische Anlenkung oder eine kardanische Anlenkung (12) mit zwei rechtwinkligen Achsen (13,14) bestimmt ist.

9. Elektromotor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Spulen (8) von zwei unabhängigen Halbspulen (8a,8b) gebildet ist, die sich jeweils zu beiden Seiten der Ruheposition (OX) erstrecken und unabhängig erregbar sind.