ITRM20090518A1

ITRM20090518A1 - SELF-LOCKING DROP-OFF STEP-BY-STEP POSITIONING OR MOTOR EQUIPPED WITH HALL-EFFECT SENSORS FOR READING THE POSITION REACHED AND ABLE TO CARRY OUT MOVEMENTS ALSO WITH ONE STEP

Info

Publication number: ITRM20090518A1
Application number: IT000518A
Authority: IT
Inventors: Michele Baldin; Michelangelo Borno'; Mario Carmine Trotta
Original assignee: Michele Baldin; Michelangelo Borno'; Mario Carmine Trotta
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-04-10

Description

Descrizione dell’ invenzione industriale dal titolo POSIZIONATORE O MOTORE PASSO-PASSO BASCULANTE, AUTOBLOCCANTE, DOTATO DI SENSORI AD EFFETTO DI HALL PER IL RILEVAMENTO DELLA POSIZIONE RAGGIUNTA E IN GRADO DI EFFETTUARE MOVIMENTI ANCHE CON UN SOLO STEP, Description of the industrial invention entitled POSITIONER OR STEP-BY-STEP TILTING, SELF-LOCKING MOTOR, EQUIPPED WITH HALL EFFECT SENSORS FOR DETECTION OF THE REACHED POSITION AND ABLE TO PERFORM MOVEMENTS EVEN WITH A SINGLE STEP,

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione ha per oggetto un nuovo tipo di motore passopasso costituito, imprescindibilmente, da una struttura elettromagnetica e da una meccanica capaci di trasmettere elevatissimi momenti di coppia. The present invention relates to a new type of stepper motor consisting, inextricably, of an electromagnetic structure and a mechanics capable of transmitting very high torque moments.

Le due parti, quindi, sono alloggiate insieme in un unico contenitore per formare l’intero motore. The two parts, therefore, are housed together in a single container to form the entire engine.

Tale motore è in grado di fornire coppia elevata direttamente sull’asse. This motor is able to provide high torque directly on the axis.

Il trovato oltre a fornire coppia elevata offre la possibilità di eseguire movimenti rotatori anche solo tramite uno ‘step’ di comando, può anche essere dotato di sensori ad effetto di Hall per il rilevamento della posizione raggiunta ed è autoffenante utilizzando magneti permanenti. The invention, in addition to providing high torque, offers the possibility of performing rotary movements even only through a command 'step', it can also be equipped with Hall effect sensors for detecting the position reached and is self-locking using permanent magnets.

Attualmente non esistono motori il cui principio di funzionamento richiama, nemmeno parzialmente, quello proposto poiché il moto rotatorio della ruota condotta è ottenuto tramite un movimento particolare della ruota conduttrice. Currently there are no motors whose operating principle recalls, even partially, that proposed since the rotational motion of the driven wheel is obtained through a particular movement of the driving wheel.

L’ invenzione viene di seguito descritta a scopo illustrativo e non limitativo, in base ad una versione attualmente preferita dagli inventori riferita alla costruzione di un posizionatore stepper o passo-passo e facendo riferimento alle fig. 1, fig. 2, fig. 3, fig. 4, fig. 5, fig. 6, fig. 7, fig. 8, fig. 9 e fig. 10. The invention is described below for illustrative and non-limiting purposes, based on a version currently preferred by the inventors referring to the construction of a stepper or step-by-step positioner and referring to figs. 1, fig. 2, fig. 3, fig. 4, fig. 5, fig. 6, fig. 7, fig. 8, fig. 9 and fig. 10.

Dalla teoria del corso di meccanica, affinché si possa generare moto rotatorio fruibile, una ruota conica a denti dritti deve essere costituita da un tronco di cono con il vertice V coincidente con il vertice del cono primitivo e con denti a generatrici rettilinee concorrenti tutte nel predetto vertice; inoltre i due coni primitivi, delle due ruote coniche, devono avere il comune vertice in V e avere, rispettivamente, semiangoli al vertice pari a γΐ e y2. From the theory of the mechanics course, in order to generate usable rotary motion, a bevel wheel with straight teeth must consist of a truncated cone with the vertex V coinciding with the vertex of the primitive cone and with teeth with rectilinear generatrices competing all in the aforementioned summit; furthermore, the two primitive cones, of the two bevel wheels, must have the common vertex in V and have, respectively, half-angles at the vertex equal to γΐ and y2.

L’originalità del trovato consiste nel costruire la ruota conica condotta 2 con semiangolo γ1 uguale a novanta gradi e la ruota conica conduttrice 1 con semiangolo γ2 uguale a ottantotto e cinque gradi. Tali valori dei semiangoli al vertice delle due ruote coniche derivano dall’originalità del presente trovato e quindi dall’avere scelto due ruote coniche a denti dritti con le seguenti caratteristiche: The originality of the invention consists in constructing the driven bevel wheel 2 with half angle γ1 equal to ninety degrees and the driving bevel wheel 1 with half angle γ2 equal to eighty-eight and five degrees. These values of the semi-angles at the top of the two bevel wheels derive from the originality of the present invention and therefore from having chosen two bevel wheels with straight teeth with the following characteristics:

- ruota conica conduttrice 1 avente modulo uno e 121 denti; - driving bevel wheel 1 having a module of one and 121 teeth;

- ruota conica condotta 2 avente modulo uno e 120 denti. - driven bevel gear 2 having a module of one and 120 teeth.

Con tali caratteristiche costruttive, le due ruote coniche a denti dritti, affinché possano produrre moto rotatorio fruibile, devono trovarsi disposte come in fig. 1. With these constructive characteristics, the two bevel gears with straight teeth, in order to produce usable rotary motion, must be arranged as in fig. 1.

In tale posizione la ruota conica conduttrice 1, per produrre moto rotatorio, ‘bascula’ attorno a due assi ortogonali tra loro, la cui origine coincide con il vertice -V del proprio cono primitivo, è tali da giacere su un piano perpendicolare all’asse di rotazione della ruota conica condotta 2. In this position the driving bevel wheel 1, to produce rotary motion, 'pivots' around two axes orthogonal to each other, whose origin coincides with the vertex -V of its primitive cone, is such as to lie on a plane perpendicular to the axis rotation of the driven bevel gear 2.

Per effetto del basculaggio della ruota conica conduttrice 1 e della riluttanza magnetica fra i quattro gruppi magnetici ed elettromagnetici le possibili posizioni statiche assunte dalle due ruote coniche sono solo quattro e tutte visibili nelle fig. 1, fig. 2, fig. 3 e fig. 4. Due to the tilting of the driving bevel wheel 1 and the magnetic reluctance between the four magnetic and electromagnetic groups, the possible static positions assumed by the two bevel wheels are only four and all visible in figs. 1, fig. 2, fig. 3 and fig. 4.

Da quanto sopra esposto, si può calcolare che il basculaggio dei denti della base interna del tronco di cono della ruota conduttrice 1 , affinché essi possano interagire con i denti della ruota conica condotta 2, è piccolissimo e descrive un arco di circonferenza dato da: From the above, it can be calculated that the tilting of the teeth of the internal base of the truncated cone of the driving wheel 1, so that they can interact with the teeth of the driven bevel gear 2, is very small and describes an arc of circumference given by:

dove = 55mm è il raggio della base minore del tronco dì cono della ruota conica conduttrice 1 e ’ = 1,5° è l’angolo del suo basculaggio. L’interazione meccanica tra le due ruote coniche a denti dritti, affinché ci possa essere moto rotatorio, è garantita dal fatto che le due ruote coniche differiscono di un dente e di conseguenza tutti i punti laterali del raggio di testa dei denti a generatrici rettilinee della ruota conica conduttrice 1, quando si spostano verso i denti della ruota conica condotta 2, incontrano subito questi ultimi lungo le coste dei denti della ruota conica condotta 2 imprimendo una forza. where = 55mm is the radius of the minor base of the truncated cone of the driving conical wheel 1 and ’= 1.5 ° is the angle of its tilt. The mechanical interaction between the two bevel gears with straight teeth, in order for there to be rotary motion, is guaranteed by the fact that the two bevel gears differ by one tooth and consequently all the lateral points of the head radius of the straight teeth of the driving bevel gear 1, when they move towards the teeth of the driven bevel gear 2, they immediately meet the latter along the edges of the teeth of the driven bevel gear 2, imparting a force.

Dalle scomposizioni di tale forza si ricava facilmente quanto segue: From the decompositions of this force the following is easily obtained:

• una componente agisce lungo la direzione dell’asse di rotazione 3 della ruota conica condotta 2 e verso uguale a quello dello spostamento. Talé componente non utile al moto rotatorio viene annullata dal cuscinétto reggispinta 17 del motore; • a component acts along the direction of the axis of rotation 3 of the driven bevel gear 2 and the same direction as that of the movement. This component not useful for rotary motion is canceled by the thrust bearing 17 of the engine;

• un’altra agisce perpendicolarmente all’asse di rotazione 3 del motore e quindi questa è quella componente che produce moto rotatorio utile. • another acts perpendicular to the rotation axis 3 of the motor and therefore this is the component that produces useful rotary motion.

Da quanto sopra esposto si ricava anche che il numero dei denti che partecipano a tale interazione meccanica è un quarto del numero totale dei denti e cioè circa trenta. From the above it can also be deduced that the number of teeth participating in this mechanical interaction is a quarter of the total number of teeth, i.e. about thirty.

La successiva interazione meccanica, consistente nell’ abbassare quest’ultima parte dei denti e nell’ alzare una parte, limitrofa a quest’ultima, dei denti della ruota conduttrice 1 ripete l’azione precedente e forza la ruota condotta 2 o a proseguire nel suo moto rotatorio o a invertire senso di rotazione. The subsequent mechanical interaction, consisting in lowering this last part of the teeth and in raising a part, adjacent to the latter, of the teeth of the driving wheel 1 repeats the previous action and forces the driven wheel 2 or to continue its motion rotating or to reverse the direction of rotation.

Per quanto esposto ne deriva che i denti delle due ruote coniche devono essere sagomati in modo diverso dai soliti e possibilmente costruiti in ceramica per evitare la naturale usura dei materiali. As explained above, it follows that the teeth of the two bevel gears must be shaped differently from the usual ones and possibly made of ceramic to avoid natural wear of the materials.

Da tutto questo si evince che la ruota conica conduttrice 1 , con quattro step, riesce a ruotare la ruota conica condotta 2 di un dente. From all this it can be seen that the driving bevel gear 1, with four steps, is able to rotate the driven bevel gear 2 by one tooth.

Affinché la ruota conica conduttrice 1 abbia la sola possibilità di ‘basculare’, in questa descrizione, si è scelto di incernierarla, tramite i due fori cilindrici 8a e 8b rispettivamente ai due cilindri 6a e 6b di un giunto cardanico costituito da due anelli uno esterno 4 e l’altro interno 5 con i relativi assi di basculaggio x e y. Il giunto cardanico è visibile in fig. 5 mentre in fig. 6 sono visibili i fori cilindrici 8a e 8b dell’asse di basculaggio x. L’anello interno 5, del giunto cardanico, è fissato al cilindro 9 della base 15 del motore tramite le quattro colonnine 7, vedi fig. 5 e fig. 7. In order for the driving bevel wheel 1 to have the sole possibility of 'tilting', in this description, it has been chosen to hinge it, through the two cylindrical holes 8a and 8b, respectively, to the two cylinders 6a and 6b of a cardan joint consisting of two outer rings. 4 and the other interior 5 with the relative x and y tilting axes. The cardan joint is visible in fig. 5 while in fig. 6 the cylindrical holes 8a and 8b of the tilting axis x are visible. The inner ring 5, of the cardan joint, is fixed to the cylinder 9 of the base 15 of the engine by means of the four columns 7, see fig. 5 and fig. 7.

Per quanto riguarda, invece, la modalità di imprimere forza al basculaggio della .ruota conica conduttrice 1 si è scelto di fissare all’ interno degli incastri 10 della ruota stessa quattro gruppi di tre magneti permanenti I la, llb e Ile, tutti disposti con le polarità tali da essere attirati o respinti dalle superfici attive della Έ’ dei quattro elettromagneti 12, e incollati ognuno ad una opportuna ancoretta ferrosa 13 tale da attivare la naturale chiusura delle linee di forza del campo magnetico. As regards, instead, the modality of imparting force to the tilting of the driving conical wheel 1, it has been chosen to fix inside the joints 10 of the wheel itself four groups of three permanent magnets I la, 11b and 11le, all arranged with the polarity such as to be attracted or repelled by the active surfaces of the Έ 'of the four electromagnets 12, and each glued to a suitable ferrous anchor 13 such as to activate the natural closure of the lines of force of the magnetic field.

Le superfici attive delle Έ’ degli elettromagneti 10 sono fissate sulla base 15 del motore inclinate verso l’alto in modo da formare con il piano della base stessa del motore un angolo di un grado e mezzo ai fini di un ottimo basculaggio della ruota conduttrice 1, vedi fig. 8. The active surfaces of the Έ 'of the electromagnets 10 are fixed on the base 15 of the motor inclined upwards so as to form an angle of one and a half degrees with the plane of the motor base itself for the purpose of optimum tilting of the driving wheel 1 , see fig. 8.

Tale disposizione delle superfici attive delle Έ’ degli elettromagneti garantisce grande forza di attrazione verso le rispettive superfici dei magneti Ila, llb e Ile incastrati nella ruota conduttrice 1 per permettere il basculaggio della stessa e l’interazione con i denti della ruota conica condotta 2. This arrangement of the active surfaces of the Έ ’of the electromagnets ensures great force of attraction towards the respective surfaces of the magnets 11a, 11b and 11e embedded in the driving wheel 1 to allow its tilting and interaction with the teeth of the driven bevel wheel 2.

Infine l originalità e la peculiarità costruttiva del trovato permettono l inserimento di sensori ad effetto Hall 16 utili per il rilevamento della posizione raggiunta dal motore. Finally, the originality and the constructive peculiarity of the invention allow the insertion of Hall effect sensors 16 useful for detecting the position reached by the motor.

A tal proposito in fig. 7 sono visibili le aperture 20 nella base 1 5 del motore necessarie per il passaggio dei cavi degli elettromagneti 12 e dei sensori ad effetto di Hall 16. In this regard, in fig. 7 shows the openings 20 in the base 15 of the motor necessary for the passage of the cables of the electromagnets 12 and of the Hall effect sensors 16.

In fig. 9 è disegnata la sezione isometrica dell’intero motore compreso di scatola 18 e fondo 19; in essa sono visibili i cuscinetti 17, 23 e 24 dell’asse motore-3, lo spazio 21 sopra il coperchio 19 per contenere l elettronica del motore e l’apertura 22 è l’adduzione dei cavi dall’ esterno. In fig. 9 shows the isometric section of the entire engine including box 18 and bottom 19; in it you can see the bearings 17, 23 and 24 of the motor axis-3, the space 21 above the cover 19 to contain the electronics of the motor and the opening 22 is the routing of the cables from the outside.

Infine in fig. 10 è visibile una vista isometrica esplosa dell’intero motore. Finally in fig. 10 shows an exploded isometric view of the entire engine.

Claims

CLAIMS 1. Positioner or stepper or stepper motor characterized by the fact that it is made by means of two bevel wheels with straight teeth, with different numbers of teeth of a single unit between the two wheels, and in which the rotary motion of the driven bevel wheel (2) is obtained by tilting the driving bevel wheel (1) around two orthogonal axes, whose origin coincides with the vertex V of the primitive cones of the two bevel wheels, and such as to lie on a plane perpendicular to the rotation axis (3 ) of the driven bevel gear (2) 2. Stepper positioner, according to claim 1, characterized in that the tilting of the driving bevel gear (1), having one more tooth than the driven bevel gear (2), carries the lateral points of the head spoke of the teeth rectilinear generatrices to strike on the edges of the teeth of the driven bevel wheel (2) itself, imparting a force whose resultant is not zero causes the usable rotary motion. 3. Step-by-step positioner, according to claims 1 and 2, characterized by the fact that the tilting angle of the driving bevel wheel (1) depends on the construction properties of the two bevel wheels and precisely on the module used and the number of teeth obtained with the formula where ' r 'is the measure of the radius of the minor base of the truncated cone of the driving bevel wheel (1) and arc' represents the height of the tooth used. 4. Stepper positioner according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the active surfaces of the Έ 'of the electromagnets (10) must be fixed on the motor base (15) inclined upwards so as to form with the plane of the motor base itself an angle calculated on the basis of the constructive properties of the two bevel gears so that the expected tilting of the driving wheel (1) is obtained. 5. Step-by-step positioner, according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that the driving bevel wheel (ì), along the directions of the tilting axes, carries, for example, the four groups each formed by the iron (3) and by the three magnets (11a, 11b and 11le) to interact with the four groups of electromagnets (12) and therefore allow the tilting of the driving bevel wheel (1). 6. Step-by-step positioner according to claims 1, 2, 3, 4 and 5, characterized in that the driving bevel wheel (1) in the directions of the tilting axes carries wedged in the cavities (10), for example, the four groups of magnets (11a, 11b and 11le) depending on the structures of electromagnets used to impart force to the tilting of the driving bevel wheel (1-7. Step-by-step positioner, according to claims 1, 2, 3, 4, 5 and 6 , characterized in that the presence of the permanent magnets (4a, 4b and 4c) allows the use of the Hall effect sensors (16) for detecting the position reached by the motor. 8. Positioned step-by-step, according to claims 1, 2, 3, 4, 5, 6 and 7, characterized by the fact that the driving bevel wheel (1) to receive force able to make it tilt can be realized in addition to the use of permanent magnets even with a simple disc of ferromagnetic material by exploiting only the attraction force of the electromagnets. 9. Step-by-step positioner, according to claims 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8, characterized by the fact that the shape and number of the electromagnets concurrent to the realization of the movement can vary according to the construction needs.