NL8603199A - Lineaire stappenmotor. - Google Patents

Description

t -1- VO 8425

Lineaire stappenmotor.

De uitvinding heeft betrekking op een lineaire stappenmotor omvattende een stationair gedeelte dat ten minste drie, in de verplaatsingsrichting van de motor op één rij gelegen, bekrachtigingselementen met 5 elk een bijbehorende bekrachtigingswikkeling en ten minste een poolschoen uit een ferromagnetisch materiaal omvat, waarbij de afmeting van de opeenvolgende bekrachtigingselementen, gezien in de verplaatsingsrichting van de motor, gelijk is, een beweegbaar gedeelte dat 10 aan het naar het bovenvlak van het stationaire gedeelte gekeerde ondervlak is voorzien van ten minste twee in de verplaatsingsrichting van de motor op een tevoren bepaalde afstand gelegen ankerelementen uit een ferromagnetisch materiaal; en middelen om het beweegbare gedeelte 15 ten opzichte van het stationaire gedeelte te ondersteunen en te geleiden, met tussen de ankerelementen en het bovenvlak van het stationaire gedeelte een luchtspleet.

Een dergelijke lineaire stappenmotor is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7103219. Bij deze 20 bekende motor omvat het stationaire gedeelte ten minste drie bekrachtigingselementen elk bestaande uit een ü-vor-mige poolschoen rond het middengedeelte waarvan een spoel als bekrachtigingswikkeling is aangebracht. De benen van de U-vormige poolschoenen zijn aan de bovenzijde 25 er van, in de verplaatsingsrichting van de motor, voorzien van een aantal tanden. De ten minste drie bekrachtigingselementen zijn vast aangebracht op een stationaire ondersteuning. Bij de bekende motor bestaat het beweegbare gedeelte uit een van tanden voorziene staaf, die aan 30 de langszijden van de motor op rollen in een freem is ondersteund, zodanig dat de tanden van de beweegbare staaf, die gelijkvormig zijn aan de tanden van de pool- ö O Λ *7 -* ' Λ V 0 Uw i J if

. V

-2- schoenen, tegenover deze laatstgenoemde gelegen zijn onder instandhouding van een luchtspleet. De steek van de tanden op de staaf is zodanig gekozen dat wanneer de tanden op de staaf ter plekke van het eerste bekrachti-5 gingselement precies tegenover de tanden van de poolschoen daarvan gelegen zijn, tegelijkertijd de tanden van de staaf ten opzichte van de tegenover gelegen tanden van de poolschoen van het tweede, daarop volgende bekrach-tigingselement over 1/3 steeklengte in de positieve 10 bewegingsrichting verschoven zijn en de tanden van de staaf ten opzichte van de tegenover gelegen tanden van de poolschoen van het derde bekrachtigingselement over 1/3 steeklengte in de negatieve bewegingsrichting verplaatst zijn. Door nu achtereenvolgens de spoelen van het eerste, 15 het tweede en het derde bekrachtigingselement te activeren, kan de staaf zich lineair in de positieve bewegingsrichting van de motor verplaatsen en door de bekrachtigingsvolgorde van de spoelen om te keren kan de staaf zich in de negatieve bewegingsrichting verplaatsen. De staaf is dus 20 met stappen van 1/3 tandbreedte ten opzichte van het stationaire motorgedeelte te verplaatsen. Bij de bekende motor verlopen de magnetische veldlijnen van de bekrachti-gingsspoelen in een vlak dat loodrecht gelegen is op de bewegingsrichting van de motor.

25 Bij de bekende motor zal bij een positieverandering van de door de tanden op de beweegbare staaf gevormde ankerelementen vanuit een van de stabiele posities, waarbij de tanden van één van de poolschoenen tegenover die van de staaf zijn gelegen, in de verplaatsingsrichting 30 van de motor, de fluxweerstand voor de magnetische veldlijnen van de spoel van het bekrachtigingselement dat de stabiele positie bepaalt, slechts geleidelijk afnemen.

De grootte van de luchtspleet tussen de tandvormige ankerelementen en de tanden van de poolschoen neemt 35 immers slechts zeer geleidelijk toe. Pas wanneer de tanden op de staaf gelegen zijn tegenover de inkepingen 8 pi (] ~ i $ λ * Λ -3- tussen de tanden van de tegenover gelegen poolschoen is er een duidelijk grotere luchtspleet en dus een grotere fluxweerstand aanwezig voor de veldlijnen van de spoel van het bekrachtigingselement. Hierdoor heeft de bekende 5 motor als bezwaar dat de stabiele posities van de anker-elementen niet nauwkeurig gedefinieerd zijn en dat het beweegbare deel van de motor door een geringe verstoring uit de stabiele toestand kan geraken en bij verplaatsing vanuit een stabiele stand naar een volgende, door het 10 bekrachtigen van het volgende bekrachtigingselement, de door dat element bepaalde stabiele positie niet snel en nauwkeurig zal innemen, maar de neiging zal hebben deze positie eerst na enkele oscillaties rond die positie in te nemen.

15 De uitvinding beoogt te voorzien in een lineaire stappenmotor die dit bezwaar niet heeft en waarvan het beweegbare gedeelte zeer snel vanuit één positie naar de volgende positie kan bewegen, waarbij de positie van het beweegbare gedeelte in de volgende positie snel 20 wordt gefixeerd, zonder schommelingen rond die stabiele positie en zonder dat het beweegbare gedeelte de bereikte stabiele positie gemakkelijk kan verlaten.

De uitvinding voorziet daartoe in een lineaire stappenmotor van voornoemde soort waarbij de poolschoenen 25 tussen de opeenvolgende bekrachtigingswikkelingen zijn aangebracht, waarbij de opeenvolgende bekrachtigingswikkelingen zodanig zijn gevormd dat de magnetische veldlijnen ervan zich in hoofdzaak evenwijdig aan de verplaatsings-richting van de motor uitstrekken, waarbij de ankerelemen-30 ten bestaan uit afzonderlijke organen die zijn aangebracht op een materiaal met een geringe magnetische permeabiliteit en waarbij de afmeting van elk van de ankerelementen, gezien in de verplaatsingsrichting van de motor, in wezen gelijk is aan de afstand tussen de aan één bekrach-35 tigingswikkeling grenzende poolschoenen.

De uitvinding berust op het inzicht dat een zeer

Ö '3 Λ 7 A λ Λ ^ Ü V v 5 %) V

-4- snelle, stabiele en nauwkeurige positionering van het beweegbare gedeelte van een stappenmotor verkregen kan worden indien een geringe verplaatsing vanuit één van de stabiele posities resulteert in een grote verandering 5 in de luchtspleet tussen het geactiveerde bekrachtigings-element en het bijbehorende ankerelement, waardoor de magnetische fluxweerstand een grote sprong vertoont.

Omdat de bekrachtigingswikkeling streeft naar een toestand waarin het ankerelement een zodanige positie inneemt 10 dat de fluxweerstand voor de magnetische veldlijnen minimaal is, zal het ankerelement zeer snel de positie zoeken waarbij het precies tussen de poolschoenen en het geactiveerde bekrachtigingselement is gelegen. Om een en ander te realiseren dient bij voorkeur de afmeting 15 van het ankerelement maximaal 1% af te wijken van de afstand tussen de beide poolschoenen van een bekrachtigingselement .

De uitvinding zal in het hierna volgende nader worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld 20 onder verwijzing naar de tekening, hierin toont: fig. 1 een zijaanzicht in dwarsdoorsnede van de motor volgens de uitvinding; fig. 2 een vooraanzicht van de motor volgens fig. 1; en 25 fig. 3: een schematische weergave van de mogelijke aandrijving van een motor met meerdere ankerelementen.

De fign. 1 en 2 tonen een lineaire stappenmotor volgens de uitvinding die bij wijze van voorbeeld is opgebouwd uit een tiental bekrachtigingselementen 1-1...1-10. 30 Ieder bekrachtigingselement omvat aan weerszijden poolschoenen, die aangegeven zijn met de verwijzingscijfers 2-1...2-11, welke poolschoenen vervaardigd zijn uit een ferromagnetisch materiaal met een hoge permeabiliteit, b.v. weekijzer. De poolschoen tussen aangrenzende bekrach-35 tigingselementen is bij voorkeur gemeenschappelijk voor die beide elementen. Ieder bekrachtigingselement omvat -5- verder een bekrachtigingswikkeling 3, bij voorkeur in de vorm van een als torroide gewikkelde spoel/ waarbij iedere spoel is ingegoten in een kunststofmassa 4, b.v. een kunststofmassa bestaande uit araldit. De opeenvolgende 5 bekrachtigingselementen zijn zo geconfigureerd dat zij gezamenlijk ten minste een vlakke bovenzijde bepalen.

De rij bekrachtigingselementen 1-1...1-10 vormt het stationaire gedeelte van de lineaire stappenmotor.

Er wordt hierbij opgemerkt dat het maximum aantal bekrach-10 tigingselementen vrij gekozen kan worden afhankelijk van de specifieke toepassing van de motor. Zoals onderstaand zal worden toegelicht bedraagt het minimum aantal bekrachtigingselementen echter drie. Elk bekrachtigingselement is verder op op zich bekende wijze voorzien van aansluitin-15 gen voor het toevoeren van een elektrische stroom aan elk van de bekrachtigingswikkelingen 3.

Het beweegbare gedeelte van de lineaire stappenmotor volgens de uitvinding bestaat volgens het uitvoeringsvoor-beeld uit een draagplateau 5, dat vervaardigd is uit 20 een materiaal met een geringe magnetische permeabiliteit/ b.v. kunststof. Op of aan dit draagplateau 5 kunnen afhankelijk van de toepassing van de lineaire motor verdere elementen bevestigd worden.

Aan de naar het stationaire motorgedeelte gekeerde 25 ondervlak is het draagplateau volgens het uitvoeringsvoor-beeld voorzien van een tweetal ankerplaatjes 6 en 6' uit een ferromagnetisch materiaal/ b.v. opnieuw weekijzer. Zoals uit fig. 2 blijkt is het draagplateau 5 door middel van aan de onderzijde daarvan nabij de zijranden bevestigde 30 wielen 7, 7' geleid over aan de zijkanten van het stationaire motorgedeelte bevestigde rails 8, 8'. Op deze wijze kan het plateau met een geringe wrijving ten opzichte van het stationaire motorgedeelte bewegen, waarbij de afstand tussen het ondervlak van het plateau en de boven-35 zijde van de opeenvolgende bekrachtigingselementen constant blijft. Er bestaan vanzelfsprekend verschillende andere SS03199 -6- manieren om het plateau 5 ten opzichte van het stationaire motorgedeelte onder instandhouding van een luchtspleet te geleiden, welke manieren voor vakmensen voor de hand zullen liggen. Deze zullen daarom niet nader worden 5 toegelicht, temeer daar de geleidingsconstructie geen wezenlijk deel uitmaakt van de uitvinding.

Zoals in fig. 1 is aangegeven, is de breedte van het gedeelte van elk van de bekrachtigingselementen dat tussen de beide poolschoenen er van is gelegen, 10 d.w.z. de dikte van de kunststofmassa 4 met daarin de spoel, gelijk aan a. Volgens het wezen van de uitvinding is nu de breedte van elk van de ankerelementen 6, 6' ook binnen geringe tolerantiegrenzen gelijk aan a. Tevens zijn de ankerelementen 6, 6' zo op het draagplateau 15 5 aangebracht dat wanneer, zoals getoond in fig. 1, ankerelement 6 precies boven het bekrachtigingselement 1-4 of één van de andere bekrachtigingselementen is gelegen, het element 6' symmetrisch tussen de elementen 1-5 en 1-6 is gelegen of symmetrisch ten opzichte van 20 een tweetal andere aangrenzende bekrachtigingselementen.

Indien de breedte van elk van de poolschoenen 2.1...2.11 gelijk is aan b, kan worden gesteld dat bij toepassing van twee ankerelementen de afstand d daartussen moet voldoen aan: d=-Ë. + 2b + n (a + b), n = 0,l,2,3...m.

2 2 25 De lengte van de ankerelementen kan, zoals getoond in fig. 2, gelijk zijn aan de lengte van de bekrachtigingselementen, maar dit is niet essentieel. Ook de dikte van de ankerelementen 6, 6' en die van de poolschoenen 2 is niet essentieel. Deze dimensies kunnen aangepast 30 worden aan de specifieke wensen of behoefte van de gebruiker. De afstand tussen de onderzijde van de ankerelementen 6, 6’ en de bovenzijde van het stationaire motorgedeelte, d.w.z. de grootte van de luchtspleet, is bij voorkeur zo gering mogelijk om de magnetische fluxweerstand voor 35 de veldlijnen van het geactiveerde bekrachtigingselement zo klein mogelijk te houden. De minimale afstand is O Λ .¾ w 4 Λ Λ

vJ Ω iJ A 1 M M

" -*y -9jj J v' -7- bepaald door de fabricagetoleranties van de bekrachtigings-elementen 1-1...1-10 en van het beweegbare motorgedeelte met de ankerplaten, alsmede door mogelijke uitzetting onder invloed van temperatuursinvloeden, zoals bij het 5 opwarmen van de spoelen 3 wanneer daardoorheen een stroom vloeit. Een praktische waarde voor de grootte van de luchtspleet bedraagt _+ 0,1 mm.

De werking van de motor volgens fig. 1 en 2 is als volgt. In de in fig. 1 getoonde toestand is de wikke-10 ling 3 van bekrachtigingselement 1-4 geactiveerd, zodat de magnetische veldlijnen verlopen volgens een baan die schematisch is aangegeven met de lijn 3'. De positie van het draagplateau is in de getoonde stand, met bekrachtigingselement 1-4 geactiveerd, zeer stabiel omdat iedere 15 verschuiving hetzij naar rechts hetzij naar links gezien in fig, 1, direkt resulteert in een aanzienlijke vergroting van de luchtspleet tussen het ankerelement 6 en de pool-schoen 2-4 of 2-5, afhankelijk van de bewegingsrichting. Omdat het door de wikkeling 3 van het bekrachtigingselement 20 1-4 opgewekte magnetische veld streeft naar een minimale fluxweerstand voor de veldlijnen van het door die wikkeling opgewekte magnetische veld, zal ankerelement 6 exact gepositioneerd blijven tussen de poolschoenen 2-4 en 2-5.

25 Wanneer men nu vanuit de in fig. 1 getoonde toestand het beweegbare motorgedeelte, gezien in deze figuur, naar rechts wil verplaatsen, wordt de stroom naar wikkeling 3 van het bekrachtigingselement 1-4 onderbroken en de stroom naar de wikkeling 3 van het bekrachtigingsele-30 ment 1-6 ingeschakeld. Door die wikkeling 3 zal nu een magnetisch veld met het in de figuur schematisch met een stippellijn 3" aangegeven verloop ontstaan, waardoor ankerelement 6', gezien in de figuur, naar rechts wordt bewogen, totdat de magnetische fluxweerstand voor de 35 veldlijnen van het door de wikkeling van het bekrachtigingselement 1-6 gevormde magnetische veld minimaal 5 3 Π ” 1 o ö -8- is, dus met ankerelement 6' precies tussen de poolschoenen 2-6 en 2-7 van dat bekrachtigingselement.

Een verplaatsing naar links, gezien in fig. 1, kan worden verkregen door in plaats van bekrachtigingsele-5 ment 1-6 de wikkeling 3 van het bekrachtigingselement 1-5 te activeren, zodat het ankerelement 6' precies tussen de poolschoenen 2-5 en 2-6 van dat bekrachtigingselement komt te liggen.

Het zal duidelijk zijn dat door een geschikte 10 opeenvolging van activeringscommando1s voor de wikkelingen van de bekrachtigingselementen 1-1...1-10 het beweegbare motorgedeelte met de ankerelementen 6, 6' naar keuze stapsgewijs kan worden verplaatst naar iedere positie boven deze bekrachtigingselementen, met als uiterste 15 posities het ankerelement 6 boven het bekrachtigingselement 1-1 enerzijds of de ankerplaat 6' boven het bekrachtigingselement 1-10 anderzijds. De stapgrootte bij verplaatsing van het beweegbare motorgedeelte wordt bij toepassing van twee ankerelementen bepaald door de breedte a van 20 elk van de bekrachtigingselementen 1-1,..1-10 en door de breedte van elk van de poolschoenen, die gelijk is aan b. De stapgrootte is dus gelijk aan (a + b)/2.

Fig. 3 toont op welke wijze door het toepassen van meer dan twee ankerelementen de stapgrootte kan 25 worden verkleind en dus het aantal mogelijke stabiele posities per lengteeenheid van het stationaire motorgedeelte kan worden vergroot. In fig. 3 zijn zeer schematisch 10 bekrachtigingselementen la-lj getoond, die elk overeenkomen met één van de bekrachtigingselementen 1-1...1-10 30 volgens fig. 1. Terwille van de duidelijkheid zijn de poolschoenen weggelaten. Ieder bekrachtigingselement heeft echter, evenals in fig. l,een breedte a + b, waarbij b de breedte is van een poolschoen en a de breedte van de bekrachtigingswikkeling en de daaromheen aangebrachte 35 kunststof.

Zoals eveneens schematisch is weergegeven in fig. 3 86031 §9 -9- is het beweegbare gedeelte van de motor voorzien van een vijftal ankerelementen 6a-6e. Op eenvoudige wijze is te berekenen dat bij toepassing van x ankerelementen, de stapgrootte a+k bedraagt en dat daarbij de afstand 5 tussen de opeenvolgende ankerelementen a_t(dient x te bedragen.

De ankerelementen zijn in vijf opeenvolgende posities, die aan de linker zijde in fig. 3 zijn aangegeven met 1-5, getoond, waarbij aan de rechter zijde in de figuur 10 is aangegeven welk bekrachtigingselement geactiveerd moet zijn in elk van de getoonde opeenvolgende posities.

Om vanuit positie 3, waarbij ankerelement 6d precies boven bekrachtigingselement lg is gelegen naar positie 4 te komen, waarbij ankerelement 6e precies boven bekrach-15 tigingselement lf komt te liggen, dient de stroom naar het bekrachtigingselement lg te worden onderbroken en die naar bekrachtigingselement lf te worden ingeschakeld.

Met vijf ankerelementen kan dus een minimale stapgrootte van (a + b)/5 worden gerealiseerd. Indien een 20 nog kleinere stapgrootte gewenst is kan het aantal ankerelementen nog verder worden vergroot. Meestal is echter een klein aantal ankerelementen, b.v. twee of drie, reeds voldoende om een positionering met een voldoend aantal mogelijke standen te realiseren.

5303199

Claims (5)

1. Lineaire stappenmotor omvattende een stationair gedeelte dat ten minste drie, in de verplaatsingsrichting van de motor op één rij gelegen, bekrachtigingselementen met elk een bijbehorende bekrachtigingswikkeling en 5 ten minste een poolschoen uit ferromagnetisch materiaal omvat, waarbij de afmeting van de opeenvolgende bekrachtigingselementen, gezien in de verplaatsingsrichting van de motor, gelijk is; een beweegbaar gedeelte dat aan het naar het bovenvlak van het stationaire gedeelte gekeerde 10 ondervlak is voorzien van ten minste twee in de verplaatsingsrichting van de motor op een tevoren bepaalde afstand gelegen ankerelementen uit een ferromagnetisch materiaal; en middelen om het beweegbare gedeelte ten opzichte van het stationaire gedeelte te ondersteunen en te gelei-15 den met tussen de ankerelementen en het bovenvlak van het stationaire gedeelte een luchtspleet, met het kenmerk, dat de poolschoenen tussen de opeenvolgende bekrachtigings-wikkelingen zijn aangebracht, dat de opeenvolgende bekrach-tigingswikkelingen zodanig zijn gevormd dat de magnetische 20 veldlijnen er van zich in hoofdzaak evenwijdig aan de verplaatsingsrichting van de motor uitstrekken, dat de ankerelementen bestaan uit afzonderlijke organen die zijn aangebracht op een materiaal met een geringe magnetische permeabiliteit en dat de afmeting van elk 25 van de ankerelementen, gezien in de verplaatsingsrichting van de motor, in wezen gelijk is aan de afstand tussen de aan één bekrachtigingswikkeling grenzende poolschoenen.

2. Lineaire stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de afstand tussen de opeenvolgende 30 ankerelementen bepaald wordt door: a+(x+l)b —x- (1.) waarin: a = de breedte van de bekrachtigingswikkeling van elk van de bekrachtigingselementen, 8903139 -11- b = de breedte van een poolschoen tussen twee aangrenzende bekrachtigingswikkelingen en x = het aantal ankerelementen.

3. Lineaire stappenmotor volgens conclusie 1 of 2, 5 met het kenmerk, dat de stapgrootte bepaald wordt door: — (2). X

4. Lineaire stappenmotor volgens ten minste één der conclusies 1 t/m 3, met het kenmerk, dat de poolschoenen in wezen vlakke platen zijn. 10

5. Lineaire stappenmotor volgens ten minste één der conclusies 1 t/m 4, met het kenmerk, dat de bekrachtigingswikkelingen torroidaal gewikkelde spoelen zijn, waarvan het hoofdvlak evenwijdig gelegen is aan de poolschoenen. 3303199