WO2007134566A2 - Schrittmotor mit einem beweglichen, unterschiedliche reluktanz aufweisendem sekundärteil - Google Patents

Schrittmotor mit einem beweglichen, unterschiedliche reluktanz aufweisendem sekundärteil Download PDF

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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Definitions

  • the invention relates to a stepping motor according to the reluctance principle, with a primary part and a relative thereto movable secondary part.
  • Such a stepping motor is known from DE 29 083 A1.
  • He has designed as a stator primary part and designed as a rotor secondary part.
  • the primary part has a ring around the rotor rotating soft magnetic yoke, projecting radially on the inside of soft magnetic stator teeth, which are spaced apart in the circumferential direction of the primary part and wound to form magnetic poles each having a winding.
  • the windings are energized in such a way that a magnetic traveling field is generated on the stator.
  • the rotor has a rotatably mounted on the stator soft magnetic rotor body, on whose outer circumference rotor teeth are arranged, which interact magnetically via an air gap with the stator teeth.
  • the rotor of the stepping motor can be positioned in a number of different positions relative to the stator.
  • the stepper motor still has relatively large dimensions.
  • the production of the stepping motor and in particular the winding of the stator teeth is still relatively expensive. The stepper motor is therefore expensive.
  • the primary part has at least three mutually offset in the direction of movement of the relative movement Polbauitati, each having a soft magnetic C-core with an air gap and an electrical winding for generating a C-core and the air gap transversely to the relative movement by passing magnetic flux have that the pole assemblies are arranged magnetically insulated from each other on a holder, and that the secondary part offset in the direction of movement of the relative movement to one another, in the air gaps and out of these movable soft magnetic core parts.
  • the magnetic flux thus runs transversely to the relative movement of the primary and secondary parts, whereby it is possible to provide magnetically separate pole assemblies, which are each wrapped in a simple manner with a winding in the production of the stepping motor and then connected to each other by means of the holder to the primary part can. It is even possible to produce different stepper motors with identical pole assemblies by the pole assemblies are positioned by means of different brackets differently relative to each other, for example, at different distances from each other or along circular lines with different diameters.
  • the stepper motor is therefore inexpensive to mass-produce.
  • the pole assemblies can also be arranged asymmetrically to a rotation axis, for example only in a certain segment, to form a banana-shaped stepping motor ,
  • the stepper motor therefore allows compact dimensions.
  • the pole assemblies can be arranged in the design of the stepper motor according to an available space.
  • the C-cores are each composed of two preferably approximately U-shaped, soft magnetic core pieces, each having a first and a second front end, the core pieces with their first ends facing each other surface adjacent to each other and wherein the air gap is formed between the mutually facing second ends.
  • the leg of the soft magnetic core piece arranged at the air gap has a shorter length than the leg of the core piece remote from the air gap.
  • the core pieces are preferably made of a plurality of laminated to a U-shaped ferromagnetic sheets, which are electrically insulated from each other by a surface coating.
  • the two core pieces of the C-core are preferably identical.
  • the individual C-cores are each coated on their outer circumference with an electrical insulating layer, and if the winding surrounding the C-core is arranged on the insulating layer.
  • the insulating layer is preferably sprayed onto the C-cores in the production of the stepping motor.
  • the C-cores expediently have an approximately rectangular or square cross-section. In the area of the edges of the C-core, the insulating layer may have a greater wall thickness than at locations which are spaced from the edges.
  • the outer plates of the C-cores may be slightly smaller in size than the inner plates of the C-cores for this purpose.
  • the second ends of the individual C-cores are each supported by a non-ferromagnetic support element bridging the air gap against each other.
  • the support element is preferably made of stainless steel or a hard plastic.
  • the insulating layer preferably carries metallic contact elements which are electrically connected to the ends of the winding.
  • the pole assemblies can then be electrically connected to a drive device for the windings in the manufacture of the stepping motor after its mounting on the holder in a simple manner.
  • the flux-conducting cross section of the C-core decreases in each case towards the air gap. This results in a greater flux density in the air gap, whereby a higher thrust force is exerted on the soft magnetic core parts of the secondary part when the windings are energized.
  • the stepping motor for detecting the relative position between the primary part and the secondary part has a measuring device for determining the inductance of at least one winding. Since the inductance of the winding changes as a function of the position of the soft-magnetic core parts relative to the C-cores, the relative position between primary part and secondary part can be determined from the measured inductance.
  • a high-frequency test current is preferably fed into the winding. Preferably, the inductance of all windings is measured.
  • the measuring device for comparing a measurement signal for the inductance of at least one winding with a predetermined reference range is connected to a comparison device, and if an output of the comparison device for commutating the windings depending on the result of the comparison with a control input of a drive device for the Windings connected.
  • the inductance value increases.
  • the current supply of the previous pole assembly is stopped and the previously measuring pole assembly is energized. This gives us a high level of dynamics.
  • the drive device is preferably designed for feeding a pulsating, pulse-phase and pulse-phase holding current into at least one winding, wherein the measuring device has means for measuring the inductance of the winding in the pulse pauses.
  • the relative position between the primary part and the secondary part can also be measured during the holding phase in a simple manner. If a deviation occurs between The current flow of the winding can be changed in such a way that the deviation is reduced, as a result of the measured relative position and a setpoint value for the holding position.
  • the inductance of the two edge pole assemblies can be measured and compared with the desired value for checking the position. If the amount of the comparison value exceeds a threshold value, it is energized. If the force of the holding pole assembly is insufficient, then additionally that edge pole can be briefly energized, whose inductance is lower.
  • the secondary part is designed as a rotatably mounted on the primary part disc, wherein the pole assemblies are arranged on the circumference of the disc.
  • the three pole assemblies can be arranged distributed almost anywhere on the circumference of the disc.
  • the winding distance must only amount to an even multiple of one third of the angle between the positions to be approached with the stepper motor.
  • a servomotor with transversal pole modules is thus very space variable executable.
  • the stepper motor can also be designed as a linear motor, wherein the pole assemblies are offset parallel to each other. This embodiment also allows a space-variable arrangement of the pole assemblies.
  • the primary part is connected to a housing having a plurality of first passage openings for a fluid of a slider and the secondary part with a movably mounted on the housing, at least one second passage opening for the fluid sliding body, wherein the second passage opening by appropriate energizing the windings or alternately with the first passage opening can be brought to cover.
  • the sliding body can then be connected to a plurality of actuating cylinders in a hydraulic device, a pressure accumulator.
  • FIG. 1 is a plan view of a primary part and a secondary part having reluctance stepping motor for positioning a slider
  • FIG. 2 shows a cross section through a first exemplary embodiment of a magnetic pole assembly of the reluctance stepping motor
  • FIG. 3 shows a cross section through the magnetic pole assembly shown in FIG. 2, the cross-sectional plane being at right angles to the plane of the drawing in FIG. 2 and at right angles to the plane of extension of the secondary part, and the secondary part being partially shown
  • FIG. 2 shows a cross section through a first exemplary embodiment of a magnetic pole assembly of the reluctance stepping motor
  • FIG. 3 shows a cross section through the magnetic pole assembly shown in FIG. 2, the cross-sectional plane being at right angles to the plane of the drawing in FIG. 2 and at right angles to the plane of extension of the secondary part, and the secondary part being partially shown
  • FIG. 1 shows a cross section through a first exemplary embodiment of a magnetic pole assembly of the reluctance stepping motor
  • FIG. 3 shows a cross section through the magnetic pole assembly shown in FIG. 2, the cross-sectional plane being at right angles to the plane of the
  • FIG. 6 is a side view of the magnetic pole assembly shown in FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 6 is a side view of the magnetic pole assembly shown in FIGS. 4 and 5.
  • a generally designated 1 in FIG. 1, operating according to the principle of reluctance, has a primary part 2 in the form of a stator and a secondary part 3 which is rotatable relative thereto and serves as a rotor.
  • the primary part 2 has three mutually offset in the direction of movement of the secondary part 3, identical construction Polbau jury 4, each having a soft magnetic C-core, which forms an air gap 5 between its facing end faces.
  • the air gaps 5 are arranged side by side in a common plane and laterally spaced from each other.
  • the extension planes of the C-cores are arranged radially to a rotation axis 6 about which the secondary part 3 is rotatable relative to the primary part 2. As can be seen in Fig. 1, the C-cores are laterally spaced from each other.
  • the individual C-cores are each wound with a winding 7, which is arranged in the embodiment according to FIGS. 2 and 3 with its axis parallel to the axis of rotation 6.
  • the winding 7 has two winding coils which are each wound onto a section of the C core which is arranged approximately normal to the axis of rotation 6 with its longitudinal direction of extension.
  • the C-core and the air gap 5 form a magnetic circuit in which the magnetic flux generated by the winding 7 is guided transversely to the direction of movement 8 of the secondary part 3, that is to say approximately radially to the axis of rotation 6.
  • the C-cores of the pole assemblies 4 are arranged on a non-ferromagnetic holder 9, which connects the C-cores bow-shaped with each other, on the holder 9, the secondary part 3 is rotatably supported about the rotation axis 6 by means of a bearing not shown in the drawing.
  • the secondary part 3 has a number of mutually spaced in the direction of movement 8, in the air gaps 5 and out of these movable soft magnetic core parts 10, whose dimensions correspond approximately to those of the air gap 5.
  • the core parts 10 are arranged on an edge region of a non-ferromagnetic carrier disk 11 which is rotatable about the axis of rotation 6 relative to the primary part.
  • the core parts 10 are preferably cast in the material of the carrier disk 11 or encapsulated with this. In order to facilitate the positioning of the core parts 10 during the casting or injection process, they can be integrally connected to each other by a narrow web.
  • the pitch with which the core parts 10 are arranged on the carrier disk 11, differs from the pitch with which the pole assemblies are arranged on the holder 9.
  • the angle between which the radial center planes of mutually adjacent core parts 10 deviate therebetween deviates from the angle enclosed by the planes spanned by adjacent C cores arranged adjacent to one another.
  • Fig. 1 it can be seen that the pole assemblies 4 are arranged in a relatively small segment of the carrier disk 11, which covers approximately an angle of 60 °. In the remaining segment of the carrier disk 11 no pole assemblies 4 are provided.
  • the number of core parts 10 is greater than that of the pole assemblies 4. Nevertheless, each core part 10 can be positioned on each pole assembly 4 by appropriately energizing the windings 7.
  • the C-cores are each composed of two identical, approximately U-shaped, soft magnetic core pieces 12.
  • the core pieces 12 each have a first end face 13 and a second end face 14.
  • the core pieces 12 adjoin one another in a flat manner with their first, mutually facing front ends 13. In this case, the plane in which the first end faces 13 are arranged, approximately in the plane of extension of the carrier plate 12 is arranged.
  • the second front ends 14 of the core pieces 12 are spaced apart by the air gap 5.
  • the core pieces are composed of a plurality of U-shaped sheets 15 stacked parallel to one another in a stack, which consist of a ferromagnetic material which is coated with an electrically insulating surface coating. In the embodiment of FIGS. 2 and 3 are removed from the air gap 5
  • the bobbin 17 has an approximately U-shaped cross-section.
  • the C-Keme are each coated on its outer periphery with an electrical insulating layer 18, which is injection-molded respectively to the C-core.
  • an electrical insulating layer 18 On the insulating layer 18 side boundary walls are integrally formed, which form a bobbin with the insulating layer 18.
  • the sheet stack formed from the sheets 15 has on both sides cover plates 16, which have slightly smaller dimensions than the plates 15 located between them.
  • the insulating layer 18 has a greater wall thickness than at the points spaced from the edges.
  • the core parts 10 have a phase at their end faces facing the air gap 5, which tapers the flux-conducting cross section of the C core towards the air gap 5 and thereby generates a greater flux density in the air gap 5.
  • Fig. 5 it can be seen that the air gap 5 is bridged by a non-ferromagnetic support member 19 which supports the air gap facing the ends of the core parts 10 against each other and keeps at a distance.
  • the primary part 2 is connected to a housing of a slide, which has a plurality of first passage openings 20, shown only schematically in FIG. 1, for a fluid.
  • the first passage openings 20 are radially spaced from the axis of rotation 6.
  • the carrier disk 11 has a second through-opening 21 for the fluid, which is designed as a slot which extends approximately radially with its longitudinal axis to the axis of rotation 6 of the carrier disk 11.
  • the second passage opening 21 can each be brought to coincide with one of the first openings 20.
  • a pressure accumulator and to the first passage opening 20 each have an actuating cylinder is connected.

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Abstract

Ein Schrittmotor (1) nach dem Reluktanzprinzip weist ein Primärteil (2) und ein relativ dazu bewegbares Sekundärteil (3) auf. Das Primärteil (2) hat mindestens drei in Bewegungsrichtung der Relativbewegung zueinander versetzte Polbaugruppen (4), die jeweils einen weichmagnetischen C-Kern (12) mit einem Luftspalt (5) und eine elektrische Wicklung (7) zum Erzeugen eines den C-Kern (12) und den Luftspalt (5) transversal zur Relativbewegung durchsetzenden magnetischen Flusses aufweisen. Die Polbaugruppen (4) sind an einer Halterung (9) magnetisch gegeneinander isoliert angeordnet. Das Sekundärteil (3) hat mehrere in Bewegungsrichtung der Relativbewegung zueinander versetzte, in die Luftspalte (5) hinein und aus diesen heraus bewegbare weichmagnetische Kernteile (10).

Description

Schrittmotor nach dem Reluktanzprinzip
Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor nach dem Reluktanzprinzip, mit einem Primärteil und einem relativ dazu bewegbaren Sekundärteil.
Ein derartiger Schrittmotor ist aus DE 29 083 A1 bekannt. Er hat ein als Stator ausgestaltetes Primärteil und ein als Rotor ausgebildetes Sekundärteil. Das Primärteil weist ein ringförmig um den Rotor umlaufendes weichmagnetisches Joch auf, an dessen Innenseite weichmagnetische Stator-Zähne radial vorstehen, die in Umfangsrichtung des Primärteils voneinander beabstandet und zur Bildung von magnetischen Polen jeweils mit einer Wicklung bewickelt sind. Die Wicklungen werden derart bestromt, dass an dem Stator ein magnetisches Wanderfeld erzeugt wird. Der Rotor hat einen drehbar an dem Stator gelagerten weichmagnetischen Rotorkörper, an dessen Außenumfang Rotor-Zähne angeordnet sind, die über einen Luftspalt mit den Stator-Zähnen magnetisch zusammenwirken. Durch entsprechendes Ansteuern der Wicklungen kann der Rotor des Schrittmotors in einer Anzahl unterschiedlichen Lagen relativ zu dem Stator positioniert werden. Der Schrittmotor weist jedoch noch relativ große Abmessungen auf. Außerdem ist die Herstellung des Schrittmotors und insbesondere das Bewickeln der Stator-Zähne noch relativ aufwändig. Der Schrittmotor ist daher entsprechend teuer.
Es besteht deshalb die Aufgabe, einen Schrittmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der kompakte Abmessungen ermöglicht und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Primärteil mindestens drei in Bewegungsrichtung der Relativbewegung zueinander versetzte Polbaugruppen aufweist, die jeweils einen weichmagnetischen C-Kern mit einem Luftspalt und eine elektrische Wicklung zum Erzeugen eines den C-Kern und den Luftspalt transversal zur Relativbewegung durchsetzenden magnetischen Flusses aufweisen, dass die Polbaugruppen an einer Halterung magnetisch gegeneinander isoliert angeordnet sind, und dass das Sekundärteil in Bewegungsrichtung der Relativbewegung zueinander versetzte, in die Luftspalte hinein und aus diesen heraus bewegbare weichmagnetische Kernteile hat.
Der magnetische Fluss verläuft also transversal zur Relativbewegung von Primär- und Sekundärteil, wodurch es möglich ist, magnetisch voneinander getrennte Polbaugruppen vorzusehen, die bei der Fertigung des Schrittmotors jeweils auf einfache Weise mit einer Wicklung bewickelt und danach mittels der Halterung zu dem Primärteil miteinander verbunden werden können. Dabei ist es sogar möglich, mit baugleichen Polbaugruppen unterschiedliche Schrittmotoren herzustellen, indem die Polbaugruppen mittels unterschiedlicher Halterungen unterschiedlich relativ zueinander positioniert werden, beispielsweise in unterschiedlichen Abständen zueinander oder entlang von Kreislinien mit unterschiedlichen Durchmessern. Der Schrittmotor ist deshalb kostengünstig in Serienfertigung herstellbar. In vorteilhafter weise können die Polbaugruppen bei einem Schrittmotor, bei dem das Primärteil als Stator und das Sekundärteil als bewegbar an dem Stator gelagerter Läufer ausgebildet ist, auch asymmetrisch zu einer Rotationsachse angeordnet sein, beispielsweise nur in einem bestimmten Segment, um einen bananenförmigen Schrittmotor zu bilden. Der Schrittmotor ermöglicht deshalb kompakte Abmessungen. Die Polbaugruppen können bei der Konstruktion des Schrittmotors entsprechend einem vorhandenen Bauraum angeordnet werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die einzelnen Polbaugruppen baugleich sind. Der Schrittmotor ist dann noch einfacher und kostengünstiger herstellbar.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die C-Kerne jeweils aus zwei vorzugsweise etwa U-förmigen, weichmagnetischen Kernstücken zusammengesetzt, die jeweils ein erstes und ein zweites Stirnende aufweisen, wobei die Kernstücke mit ihren ersten Stirnenden einander zugewandt flächig aneinander angrenzen und wobei der Luftspalt zwischen den einander zugewandten zweiten Stirnenden gebildet ist. Dabei weist der an dem Luftspalt angeordnete Schenkel des weichmagnetischen Kernstücks jeweils eine kürzere Länge auf als der von dem Luftspalt entfernte Schenkel des Kernstücks. Die Kernstücke bestehen vorzugsweise aus mehreren zu einem Paket geschichteten U-förmigen ferromagnetischen Blechen, die durch eine Oberflächenbeschichtung elektrisch gegeneinander isoliert sind. Die beiden Kernstücke des C-Kerns sind bevorzugt baugleich.
Vorteilhaft ist, wenn die einzelnen C-Kerne an ihrem Außenumfang jeweils mit einer elektrischen Isolierschicht beschichtet sind, und wenn auf der Isolierschicht die den C-Kern umgrenzende Wicklung angeordnet ist. Die Isolierschicht wird bei der Fertigung des Schrittmotors bevorzugt auf die C-Kerne aufgespritzt. Die C-Kerne weisen zweckmäßigerweise einen etwa rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Im Bereich der Kanten des C-Kerns kann die Isolierschicht eine größere Wandstärke haben als an Stellen, die von den Kanten beanstandet sind. Die äußeren Bleche der C-Kerne können zu diesem Zweck etwas kleiner Abmessungen aufweisen als die inneren Bleche der C-Kerne.
Vorzugsweise sind die zweiten Stirnenden der einzelnen C-Kerne jeweils durch ein den Luftspalt überbrückendes nicht ferromagnetisches Stützelement gegeneinander abgestützt. Mittels des Stützelements können die an dem Luftspalt auf die zweiten Stirnenden wirkenden magnetischen Kräfte gut abgestützt werden. Das Stützelement besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder einem harten Kunststoff.
Die Isolierschicht trägt bevorzugt metallische Kontaktelemente, die mit den Enden der Wicklung elektrisch verbunden sind. Die Polbaugruppen können dann bei der Fertigung des Schrittmotors nach ihrer Montage an der Halterung auf einfache Weise mit einer Ansteuereinrichtung für die Wicklungen elektrisch verbunden werden.
Vorteilhaft ist, wenn der flussleitende Querschnitt des C-Kerns jeweils zum Luftspalt hin abnimmt. Dadurch ergibt sich in dem Luftspalt eine größere Flussdichte, wodurch beim Bestro- men der Wicklungen auf die weichmagnetischen Kernteile des Sekundärteils eine höhere Schubkraft ausgeübt wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Schrittmotor zur Erfassung der Relativposition zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Induktivität mindestens einer Wicklung auf. Da sich die Induktivität der Wicklung in Abhängigkeit von der Lage der weichmagnetischen Kernteile relativ zu den C-Kernen verändert, kann aus der gemessenen Induktivität die Relativposition zwischen Primärteil und Sekundärteil bestimmt werden. Zum Messen der Induktivität wird bevorzugt ein hochfrequenter Teststrom in die Wicklung eingespeist. Vorzugsweise wird die Induktivität aller Wicklungen gemessen.
Vorteilhaft ist, wenn die Messeinrichtung zum Vergleichen eines Messsignals für die Induktivität mindestens einer Wicklung mit einem vorgegebenen Referenzbereich mit einer Vergleichseinrichtung verbunden ist, und wenn ein Ausgang der Vergleichseinrichtung zum Kommutieren der Wicklungen in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs mit einem Steuereingang einer Ansteuereinrichtung für die Wicklungen verbunden ist. Wenn sich ein Kemteil dem Luftspalt nähert, steigt der Induktivitätswert an. Bei einem bestimmten Schwellwert wird die Bestromung der vorherigen Polbaugruppe gestoppt und die zuvor messende Polbaugruppe wird bestromt. Hierdurch wir eine hohe Dynamik erreicht.
Die Ansteuereinrichtung ist bevorzugt zum Einspeisen eines pulsierenden, Pulsphasen und Pulsphasen aufweisenden Haltestroms in mindestens eine Wicklung ausgestaltet, wobei die Messeinrichtung Mittel zum Messen der Induktivität der Wicklung in den Pulspausen aufweist. Somit kann die Relativposition zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil auch während der Haltephase auf einfache Weise gemessen werden. Beim Auftreten einer Abweichung zwi- schen der gemessenen Relativposition und einem Sollwert für die Halteposition kann die Be- stromung der Wicklung derart geändert werden, dass sich die Abweichung reduziert. In einer symmetrischen Anordnung, bei der eine mittlere Polbaugruppe die Haltefunktion übernimmt, kann zur Prüfung der Position auch die Induktivität der beiden Rand-Polbaugruppen gemessen und mit dem Sollwert verglichen werden. Steigt der Betrag des Vergleichswerts über einen Schwellwert, wird bestromt. Reicht die Kraft der haltenden Polbaugruppe nicht aus, so kann zusätzlich jener Randpol kurzzeitig bestromt werden, dessen Induktivität niedriger ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist das Sekundärteil als drehbar an dem Primärteil gelagerte Scheibe ausgebildet, wobei die Polbaugruppen am Umfang der Scheibe angeordnet sind. Dabei können die drei Polbaugruppen nahezu beliebig am Umfang der Scheibe verteilt angeordnet sein. Der Wickelabstand muss lediglich ein gerades Vielfaches eines Drittels des Winkels zwischen den mit dem Schrittmotor anzufahrenden Positionen betragen. Ein Stellmotor mit Transversal-Polbaugruppen ist somit sehr bauraumvariabel ausführbar.
Der Schrittmotor kann auch als Linearmotor ausgestaltet sein, wobei die Polbaugruppen parallel zueinander versetzt sind. Auch diese Ausführungsform ermöglicht eine bauraumvari- able Anordnung der Polbaugruppen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Primärteil mit einem mehrere erste Durchtrittsöffnungen für ein Fluid aufweisenden Gehäuse eines Schiebers und das Sekundärteil mit einem bewegbar an dem Gehäuse gelagerten, mindestens eine zweite Durchtrittsöffnung für das Fluid aufweisenden Schiebekörper verbunden, wobei die zweite Durchtrittsöffnung durch entsprechendes Bestromen der Wicklungen wähl- oder wechselweise mit den ersten Durchtrittsöffnung zur Deckung bringbar ist. Mittels des Schiebekörpers kann dann in einer hydraulischen Vorrichtung ein Druckspeicher mit mehreren Stellzylindern verbunden werden.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen ein Primärteil und ein Sekundärteil aufweisenden Reluktanz-Schrittmotor zum Positionieren eines Schiebers,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Magnetpolbaugrup- pe des Reluktanz-Schrittmotors, Fig. 3 einen Querschnitt durch die in Fig. 2 gezeigte Magnetpolbaugruppe, wobei die Querschnittsebene rechtwinklig zur Zeichenebene in Fig. 2 und rechtwinklig zur Erstreckungsebene des Sekundärteils verläuft, und wobei das Sekundärteil teilweise dargestellt ist,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Magnetpolbaugruppe,
Fig. 5 einen Querschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel der Magnetpolbaugruppe, und
Fig. 6 eine Seitenansicht der in Fig. 4 und 5 gezeigten Magnetpolbaugruppe.
Ein in Fig. 1 im Ganzen mit 1 bezeichneter, nach dem Reluktanzprinzip arbeitender Schrittmotor weist ein als Stator ausgebildetes Primärteil 2 und ein relativ dazu verdrehbar gelagertes, als Läufer dienendes Sekundärteil 3 auf.
Das Primärteil 2 hat drei in Bewegungsrichtung des Sekundärteils 3 zueinander versetzte, baugleiche Polbaugruppen 4, die jeweils einen weichmagnetischen C-Kern aufweisen, der zwischen seinen einander zugewandten Stirnseitenflächen einen Luftspalt 5 bildet. Die Luftspalte 5 sind in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander angeordnet und seitlich voneinander beabstandet. Die Erstreckungsebenen der C-Kerne sind radial zu einer Rotationsachse 6 angeordnet, um die das Sekundärteil 3 relativ zu dem Primärteil 2 verdrehbar ist. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, sind die C-Kerne seitlich voneinander beabstandet.
Die einzelnen C-Kerne sind jeweils mit einer Wicklung 7 bewickelt, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 mit ihrer Achse parallel zur Rotationsachse 6 angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 bis 6 weist die Wicklung 7 zwei Wicklungsspulen auf, die jeweils auf einen mit seiner Längserstreckungsrichtung etwa normal zur Rotationsachse 6 angeordneten Abschnitt des C-Kerns aufgewickelt sind.
Zur Bestromung der Wicklungen 7 sind diese mit einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten, an sich bekannten Ansteuereinrichtung verbunden. Der C-Kern und der Luftspalt 5 bilden einen magnetischen Kreis, in dem der von der Wicklung 7 erzeugte magnetische Fluss transversal zur Bewegungsrichtung 8 des Sekundärteils 3, also in etwa radial zu der Rotationsachse 6 verlaufenden Ebenen geführt ist. Die C-Kerne der Polbaugruppen 4 sind an einer nicht ferromagnetischen Halterung 9 angeordnet, welche die C-Kerne bügeiförmig miteinander verbindet, an der Halterung 9 ist das Sekundärteil 3 mittels einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Lagerung um die Rotationsachse 6 drehbar gelagert.
Das Sekundärteil 3 hat eine Anzahl von in Bewegungsrichtung 8 zueinander beabstandeten, in die Luftspalte 5 hinein und aus diesen heraus bewegbaren weichmagnetischen Kernteilen 10, deren Abmessungen etwa denen des Luftspalts 5 entsprechen. Die Kernteile 10 sind an einem Randbereich einer nicht ferromagnetischen, um die Rotationsachse 6 relativ zu dem Primärteil verdrehbaren Trägerscheibe 11 angeordnet. Die Kernteile 10 sind bevorzugt in den Werkstoff der Trägerscheibe 11 eingegossen oder mit diesem umspritzt. Um während des Gieß- bzw. Spritzvorgangs das Positionieren der Kernteile 10 zu erleichtern, können diese durch einen schmalen Steg einstückig miteinander verbunden sein. Die Teilung, mit der die Kernteile 10 an der Trägerscheibe 11 angeordnet sind, unterscheidet sich von der Teilung, mit der die Polbaugruppen an der Halterung 9 angeordnet sind. Der Winkel, den die Radialmittelebenen zueinander benachbarter Kernteile 10 zwischen sich einschließen weicht als von dem Winkel, den die von zueinander benachbart nebeneinander angeordneten C-Kernen aufgespannten Ebenen zwischen sich einschließen, ab.
In Fig. 1 ist erkennbar, dass die Polbaugruppen 4 in einem relativ kleinen Segment der Trägerscheibe 11 angeordnet sind, das etwa einen Winkel von 60° überdeckt. In dem verbleibenden Segment der Trägerscheibe 11 sind keine Polbaugruppen 4 vorgesehen. Die Anzahl der Kernteile 10 ist größer als die der Polbaugruppen 4. Dennoch kann jedes Kernteil 10 durch entsprechendes Bestromen der Wicklungen 7 an jeder Polbaugruppe 4 positioniert werden.
Die C-Kerne sind jeweils aus zwei baugleichen, etwa U-förmigen, weichmagnetischen Kernstücken 12 zusammengesetzt. Die Kernstücke 12 weisen jeweils ein erstes Stirnende 13 und ein zweites Stirnende 14 auf. Die Kernstücke 12 grenzen mit ihren ersten, einander zugewandten Stirnenden 13 flächig aneinander an. Dabei ist die Ebene, in der die ersten Stirnenden 13 angeordnet sind, etwa in der Erstreckungsebene der Trägerscheibe 12 angeordnet. Die zweiten Stirnenden 14 der Kernstücke 12 sind durch den Luftspalt 5 voneinander beabstandet.
Die Kernstücke sind aus mehreren zu einem Paket parallel übereinander geschichteten U-förmigen Blechen 15 zusammengesetzt, die aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen, der mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung beschichtet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 sind die von dem Luftspalt 5 entfernten
Schenkel der Kernstücke 12 in eine Durchtrittsöffnung eines elektrisch isolierenden Spulenkörpers 17 eingesetzt, der mit der Wicklung 7 bewickelt ist. Der Spulenkörper 17 hat einen etwa U-förmigen Querschnitt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 bis 6 sind die C-Keme an ihrem Außenumfang jeweils mit einer elektrischen Isolierschicht 18 beschichtet, die jeweils an den C-Kem angespritzt ist. An die Isolierschicht 18 sind Seitenbegrenzungswände einstückig angeformt, die mit der Isolierschicht 18 einen Spulenkörper bilden. Der aus den Blechen 15 gebildete Blechsstapel hat beidseits Deckbleche 16, die etwas kleinere Abmessungen aufweisen als die zwischen diesen befindlichen Bleche 15. An den Kanten der C-Keme weist die Isolierschicht 18 eine größere Wandstärke auf als an den von den Kanten beabstandeten Stellen.
Wie in Fig. 3 besonders gut erkennbar ist, weisen die Kernteile 10 an ihren dem Luftspalt 5 zugewandten Stirnenden ein Phase auf, welche den flussleitenden Querschnitt des C-Kerns zum Luftspalt 5 hin verjüngt und dadurch in dem Luftspalt 5 eine größere Flussdichte erzeugt.
In Fig. 5 ist erkennbar, dass der Luftspalt 5 durch ein nicht ferromagnetisches Stützelement 19 überbrückt ist, welches die dem Luftspalt zugewandten Enden der Kernteile 10 gegeneinander abstützt und auf Abstand hält.
Das Primärteil 2 ist mit einem Gehäuse eines Schiebers verbunden, das mehrere in Fig. 1 nur schematisch dargestellte erste Durchtrittsöffnungen 20 für ein Fluid aufweist. Die ersten Durchtrittsöffnungen 20 sind von der Rotationsachse 6 radial beabstandet.
Die Trägerscheibe 11 hat eine zweite Durchtrittsöffnung 21 für das Fluid, die als Langloch ausgebildet ist, das sich mit seiner Längsachse etwa radial zur Rotationsachse 6 der Trägerscheibe 11 erstreckt. Durch entsprechendes Bestromen der Wicklungen 7 kann die zweite Durchtrittsöffnung 21 jeweils mit einer der ersten Öffnungen 20 zur Deckung gebracht werden. An der zweiten Durchtrittsöffnung 21 ist ein Druckspeicher und an den ersten Durchtrittsöffnung 20 jeweils ein Stellzylinder angeschlossen. Bezuαszeichenliste
Schrittmotor
Primärteil
Sekundärteil
Polbaugruppe
Luftspalt
Rotationsachse
Wicklung
Bewegungsrichtung
Halterung
Kernteil
Trägerscheibe
Kernstück erstes Stirnende zweites Stirnende
Blech
Deckbleche
Spulenkörper
Isolierschicht
Stützelement erste Durchtrittsöffnung zweite Durchtrittsöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Schrittmotor (1 ) nach dem Reluktanzprinzip, mit einem Primärteil (2) und einem relativ dazu bewegbaren Sekundärteil (3), wobei das Primärteil (2) mindestens drei in Bewegungsrichtung der Relativbewegung zueinander versetzte Polbaugruppen (4) aufweist, die jeweils einen weichmagnetischen C-Kern mit einem Luftspalt (5) und eine elektrische Wicklung (7) zum Erzeugen eines den C-Kern und den Luftspalt (5) transversal zur Relativbewegung durchsetzenden magnetischen Flusses aufweisen, wobei die Polbaugruppen (4) an einer Halterung (9) magnetisch gegeneinander isoliert angeordnet sind, und wobei das Sekundärteil (3) in Bewegungsrichtung der Relativbewegung zueinander versetzte, in die Luftspalte (5) hinein und aus diesen heraus bewegbare weichmagnetische Kernteile (10) hat.
2. Schrittmotor (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Polbaugruppen (4) baugleich sind.
3. Schrittmotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die C-Kerne jeweils aus zwei vorzugsweise U-förmigen, weichmagnetischen Kernstücken (12) zusammengesetzt sind, die jeweils ein erstes Stirnende (13) und ein zweites Stirnende (14) aufweisen, wobei die Kernstücke (12) mit ihren ersten Stirnenden (13) einander zugewandt flächig aneinander angrenzen und wobei der Luftspalt (5) zwischen den einander zugewandten zweiten Stirnenden (14) gebildet ist.
4. Schrittmotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen C-Kerne an ihrem Außenumfang jeweils mit einer elektrischen Isolierschicht (18) beschichtet sind, und dass auf der Isolierschicht (18) die den C-Kern umgrenzende Wicklung (7) angeordnet ist.
5. Schrittmotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Stirnenden (14) der einzelnen C-Kerne jeweils durch ein den Luftspalt (5) überbrückendes nicht ferromagnetisches Stützelement (19) gegeneinander abgestützt sind.
6. Schrittmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (18) metallische Kontaktelemente trägt, die mit den Enden der Wicklung (7) elektrisch verbunden sind.
7. Schrittmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der flussleitende Querschnitt des C-Kerns jeweils zum Luftspalt (5) hin abnimmt.
8. Schrittmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Erfassung der Relativposition zwischen dem Primärteil (2) und dem Sekundärteil (3) eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Induktivität mindestens einer Wicklung (7) aufweist.
9. Schrittmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zum Vergleichen eines Messsignals für die Induktivität mindestens einer Wicklung (7) mit einem vorgegebenen Referenzbereich mit einer Vergleichseinrichtung verbunden ist, und dass ein Ausgang der Vergleichseinrichtung zum Kommu- tieren der Wicklungen (7) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs mit einem Steuereingang einer Ansteuereinrichtung für die Wicklungen (7) verbunden ist.
10. Schrittmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung zum Einspeisen eines pulsierenden, Pulsphasen und Pulsphasen aufweisenden Haltestroms in mindestens eine Wicklung ausgestaltet ist, und dass die Messeinrichtung Mittel zum Messen der Induktivität der Wicklung (7) in den Pulspausen aufweist.
11. Schrittmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil (3) als drehbar an dem Primärteil (2) gelagerte Scheibe ausgebildet ist und dass die Polbaugruppen (4) am Umfang der Scheibe angeordnet sind.
12. Schrittmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er als Linearmotor ausgestaltet ist und dass die Polbaugruppen (4) parallel zueinander versetzt sind.
13. Schrittmotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil (2) mit einem mehrere erste Durchtrittsöffnungen (20) für ein Fluid aufweisenden Gehäuse eines Schiebers und das Sekundärteil (3) mit einem bewegbar an dem Gehäuse gelagerten, mindestens eine zweite Durchtrittsöffnung (21) für das Fluid aufweisenden Schiebekörper verbunden ist, und dass die zweite Durchtrittsöffnung (21) durch entsprechendes Bestromen der Wicklungen (7) wähl- oder wechselweise mit den ersten Durchtrittsöffnung (20) zur Deckung bringbar ist.
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