DE2247033C3 - Reluktanzschrittmotor mit einem zylindrischen an der Oberfläche mit Zähnen versehenen Läufer - Google Patents
Reluktanzschrittmotor mit einem zylindrischen an der Oberfläche mit Zähnen versehenen LäuferInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Reluktanzschrittmotor mit einem zylindrischen an der Oberfläche
mit Zähnen versehenen Läufer, die durch in Umfangsrichtung verlaufende erste Nuten gebildet sind, und mit
einem Ständer, der mit ausgeprägten durch erste Spulen erregbaren ersten Polen ausgestattet ist, die mit Zähnen
in einer den Zähnen des Läufers entsprechenden Schrittweite versehen sind und die bei Erregung den
Läufer in axialer Richtung schrittweise antreiben, wobei der Läufer in axialer Richtung verlaufende zweite Nuten
aufweist.
Ein derartiger Reluktanzschrittmotor ist aus der US-PS 34 41 819 bekannt. Dieser Motor soll ausschließlieh als Linearmotor verwendet werden und ist
demgemäß keinesfalls dazu in der Lage, eine Drehbewegung auszuführen. Der Läufer dieses Reluktanzschritt-
motors ist in zwei Teile geteilt, die durch einen dazwischen angeordneten Permanentmagneten entgegengesetzt magnetisch polarisiert sind, Die beiden Teile
des Läufers sind mit auf einer Spirallinie entlang des Umfanges angeordneten Zähnen ausgestattet, die
jedoch nicht durchlaufend sondern durch Nuten unierbrochen sind. Überdies sind die beiden Teile des
Läufers so gegeneinander versetzt, daß jeweils die Zahngruppe eines Läuferteils den Lücken des Ständers
gegenübersteht, wenn die Zahngruppe des anderen Läuferteils den Zähnen des Ständers gegenübersteh!.
Durch sequenzielle Ansteuerung der ausgeprägten, um den Umfang des Ständers herum angeordneten Pole
wird eine Axialverschiebung des Läufers bewirkt. Damit der Läufer ausschließlich eine axiale Linearbewegung
ausführt und eine Rotationsbewegung verhindert wird, sind die Zähne des Läufers durch die Nuten unterteilt.
Dadurch ist eine Drehbewegung bei diesem Motor ganz bewußt unterdrückt.
Ein anderer Motor, der nicht nach dem Prinzip eines Reluktanzmotors arbeitet, jedoch sowohl eine rotatorisehe als auch eine Axial-Linearbewegung ausführt-n
kann, ist in der CH-PS 4 73 501 beschrieben. Dieser Motor weist einen Stator mit ausgeprägten Polen auf.
die Spulen tragen, wobei die sequenzieile Speisung eines Teiles dieser Spulen eine geradlinige Bewegung Jes
Lädfers und die Speisung des anderen Teiles der Spulen eine Drehbewegung des Läufers hervorruft. Bei einem
Motor dieser Art erfolgt die Läuferdrehung immer in Schritten von 180". Eine feinere Abstufung der
Schrittweite der axialen Bewegung läßt sich innerhalb eng gesteckter Grenzen nur durch eine größere Anzahl
von entsprechenden Polpaaren erzielen. Die axiale Bewegung des Läufers erfolgt nur zwischen zwei
vorgegebenen Endstellungen, eine Feinpositionierung ist nicht vorgesehen und auch nicht möglich.
Zudem liefert dieser Motor nur eine geringe axiale Kraft und ein kleines Anlaufdrehmoment.
Nach dem Stand der Technik sind weiterhin Antriebseinrichtungen oder Manipulatoren bekannt, die
mit mehreren Motoren ausgestattet sind, von denen jedem eine besondere Funktion übertragen ist. Dabei
wird beispielsweise ein erster rotierender Antriebsmotor für die Steuerung der geradlinigen Auslenkung des
Steuerlementes mit Hilfe eines Untersetzungsgetriebes aus Spindel und Mutter vorgesehen und ein zweiter
rotierender Motor dient dazu, dem Steuerorgan eine bestimmte Winkelstellung zu erteilen. Die Verwendung
von Ritzeln, Spindeln und Muttern hat in unvermeidbarer Weise ein mechanisches Spiel zur Folge, es sei denn,
daß außerordentlich kostspielige Kugellager verwendet werden. Die linearen und winkelmäßigen Positionen
können zudem nur mit Hilfe einer aufwendigen Kodiereinrichtung angesteuert werden.
Motore und Antriebseinrichtungen dieser Art werden vorzugsweise zur Herstellung von Manipulatoren und
zur Steuerung der Positionierung der Organe von Werkzeugmaschinen verwendet, wobei bekanntermaßen auf Präzision und feine Eir.atellbarkeit besonderes
Gewicht gelegt werden muß.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, eine Antriebsvorrichtung zu schaffen, die einfach und
kostengünstig herzustellen ist und mit der eine rotatorische und eine translatorische Bewegung präzise
einstellbar ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Reluktanzschrittmotor der eingangs genannten Art
dadurch gelöst, daß die ersten und die zweiten Nuten
jeweils in anderen Teilen der Oberfläche des l.iiufers
ungeordnet sind und daß der Lilufer durch die /weilen
Nuten und im Ständer ausgebildete und durch zweite Spulen erregbare zweite Pule zusätzlich in Unifiingsrichtung
schrittweise antrcihbar ist, Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß der Reluktanzschrittmotor
in axialer Richtung nennenswerte Kriifte und ein hohes (Drehmoment bei der Drehbewegung entwickelt.
Der Anlauf der translatorischen und der rotatorischen Bewegung kann auch unter Last erfolgen, die axiale und
die radiale Bewegung können in beliebigen Positionen
angehauen und arretiert werden, wobei wiederum ein nennenswertes Halte-Drchnioinent und eine llalickraft
zur Verfügung stehen.
Zur Vermeidung von Interferenzen der beiden magnetischen Kreise für die axiale und die rotatorische
Bewegung sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor, daß die ersten und die /weilen Nuten auf
der Aullcnoberfliichc des zylindrischen l.iiufers jeweils
in axial aufeinanderfolgenden Abschritten angeordnet «rind.
Vorteilhaft kann sich auch eine Ausführung erweisen,
bei der vorgesehen ist, JaIJ die ersten und die /weiten Nuten auf der Außenoberflaehe des zylindrischen
Laufers in Abschnitten angeordnet sind, die in Umfiingsrichtung aufeinanderfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, die eine nennenswerte Verkleinerung der Bauform des Reluktan/schrittmotors
und zudem eine Vergrößerung der maximalen axialen Auslenkung ermöglicht, ist vorgcsehen,
daß der Läufer ein Hohlzylinder ist, auf dessen Außenoberflaehe die ersten Nulcn, wahrend auf dessen
Innenoberfläche die zweiten Nuten angeordnet sind, und daß im Inneren des Läufers die zweiten Pole für die
geradlinige axiale Bewegung gehaltert sind.
Zur Erzielung einer optimalen Präzision der axialen Auslenkung ist es bevorzugt, daß die zweiten Nuten,
deren Ebenen im wesentlichen senkrecht zur Drehachse verlaufen, durch Ausbildung eines Gewindes hergestellt
sind und daß die Zähne der zweiten Pole des Ständers gegenüber der Achse um einen Wert geneigt sind, der
gleich dem Winkel der Schraubenlinie ist.
Besonders vorteilhaft erweist sich eine Ausführungsform, bei der die zweiten Nuten durch ein Gewinde mit
quadratischem Profil gebildet sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert; es zeigt
Fig. I eine Ausführungsform der Erfindung, bei der
die beiden Nutenarten auf der Außenfläche des Läufers angeordnet sind,
F i g. 2 eine zweite Ausführungsform, bei der eine der
zwei Arten von Nuten im Inneren des Läufers angeordnet ist,
F i g. 3 eine weitere Ausfülirungsform. die die
Verwendung eines einzigen Poltyps für die Steuerung der Drehbewegung gestattet, und
F i g. 4 eine besondere Ausführungsform der Pole für die Linearbewegung, wenn diese im Inneren des Läufers
angeordnet sind.
In der Fig. I sind das Gehäuse I des Antriebes und
der Läufer 2 im Schnitt dargestellt.
Der Läufer 2, der die Form eines Drehzylinders aufweist, hat zwei Reihen von Nuten 5 und 6, die jeweils
die Hälfte der Zylinderoberfläche einnehmen und zwischen denen eine Reihe von Zähnen gebildet ist. Die
zweite Reihe von Nuten 6, deren Ebenen senkrecht auf der Achse stehen, dient dazu, eine Verzahnung zu
schaffen, die mit den Polen J zusammenwirkt und so eine Antriebskraft oder eine Blockierung in axialer
Richtung hervorruft. Die Pole 1 sind an der Innenwand des Gehäuses ! befestig! und in axialen; Abstand
hintereinander angeordnet.
Die erste Reihe von Nuten 5, deren Ebenen durch die Drehachse hindurchgehen oder parallel dazu verlaufen,
wirkt mit einem Cat/ von Polen 4 zusammen und bewirkt dadurch eine Tangentialkraft bzw. ein Drehmoment
auf den Läufer 2.
Die Pole können entweder insgesamt oder z.T. in axialer Richtung mit ausreichendem Abstand hintereinander
angeordnet sein. Sie können jedoch auch entlang dem Umfang des Läufers angeordnet sein, aber diese
Lösung hat eine Verminderung der ausnui/baren Auslenkung zur Folge.
Aus der in Fig. I dargestellten Ausfülirungsform isi
ersichtlich, daß diejenigen Teile der Oberflüchen, die jeweils zu einer Reihe von Nuten gehören und den
Polen gegenüberliegen, einen Winkelbereich einnehmen, der etwa einem Viertel des Winkelbereichcs
entspricht, über den sich jede Zahnreihe erstreckt.
Diese Anordnung erlaubt dem Läufer folglich eine Drehung bis zu drei Achtel einer gan/en Umdrehung
auszuführen, wenn die Pole 4 in geeigneter Weise erregt sind, wobei gewährleistet ist, daß ein Teil der Nuten i>
immer gegenüber den Polen 1 verbleibt.
Ein nicht dargestellter mechanischer Anschlag verhindert,
daß sich der Läufer um mehr als drei Achtel des Unifanges dreht und dabei in Gefuhr läuft, eine Reihe
von Nuten vor die Pole zu bringen, mit denen ein Zusammenwirken nicht möglich ist.
Auf eine lineare axiale Verlagerung des beweglichen Organes kann immer, auch wenn der Läufer axial
blockiert ist, eine partielle Drehung folgen, da die axiale magnetische Blockierkraft auf eine Drehung um die
Achse, bei der die Reluktanz im Bereich der Nuten 6 nicht verändert wird, keinen Einfluß hat.
Wenn umgekehrt ein Blockierdrehrnoment von den Spulen 4 bewirkt wird, wird die Drehung des Läufers
verhindert, eine axiale Auslenkung ist jedoch weiterhin möglich.
Da die Nuten mit einem Plastikmaterial ausgefüllt werden können, ist es einfach, dem Läufer die Form
eines Zylinders zu verleihen, dessen Durchführung durch die Dichtungselemente des Gehäuses ohne
Problem möglich ist.
Die in der F ί g. 2 dargestellte Variante basiert auf demselben Grundgedanken; es ist jedoch die gesamte
Außenfläche des zylindrischen Läufers 2 mit Nuten 5, deren Ebenen durch die Achse hindurchgehen, ausgestattet,
so daß unter der Einwirkung der Pole 4 eine Drehung des Läufers um mehrere Umdrehungen
möglich wird.
Der zylindrische Läufer 2 ist hohl, d. h. rohrförmig. Di^ gesamte zylindrische Innenfläche ist mit Nuten 6,
deren Ebene* >enkrecht zur Achse verlaufen, ausgestattet.
Die Zylinderfläche, die durch die Scheitel der kreisförmigen Zähne, die jeweils durch zwei Nuten
gebildet werden, hindurchgeht, dient im übrigen zur Führung des Läufers.
Die Führungseinrichtung ist durch eine Schürze 8 dargestellt, die mit einer Stirnwand des Gehäuses 1
verbunden ist und die einen Bereich der zylindrischen Fläche darstellt, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser
des Läufers entspricht und deren Winkelausdehnung größer als 180" und kleiner als 360" ist.
Diese Führungsschürze weist eine Ausnehmung auf, in der die Pole 3, die zur axialen Auslenkung dienen,
angeordnet sind, und einen massiveren Teil 7, an dem
diese Pole 3 befestigt sind.
Die Anordnung kann ebenfalls mit einem Epoxy-Kunstharz
vergossen werden.
Bei einer weiteren, nicht dargestellten Abwandlung könnten die beiden Abschnitte der inneren oder
äußeren zylindrischen Oberfläche des Läufers, die jeweils mit der Reihe der ihnen zugeordneten Zähne ro
und Nuten ausgestattet sind, in axialer Richtung hintereinander angeordnet sein.
In der Fig. 3 ist dargestellt, wie sich die Pole 4 der
F i g. 2 in besonders vorteilhafter Weise ausbilden lassen.
Dabei sind vier Pole vorgesehen, von denen jeder um einen Viertel Schritt in bezug auf den benachbarten Pol
verschoben ist. Diese Verschicbungen lassen sich natürlich auch mit Polen erreichen, die jeweils ein
besonderes Profil aufweisen, oder deren Lage zueinander einstellbar ist. Dadurch wird jedoch die Herstellung
etwas kompli/iericr und der Zusammenbau problematisch,
da eine drehbare Führungsvorrichtung für die Pole erforderlich ist.
Wenn bei dieser Ausführungsform erwünscht ist, daß
einerseits die magnetischen Kreise aller Pole, die in derselben l-bene angeordnet sind, identisch sind und daß
diese Kreise auf ebenen Oberflächen des Gehäuses befestigt werden können, die symmetrisch in bc/ug auf
die Achse des Läufers angeordnet sind, so ist
erforderlich, daß die Anzahl der Zähne (oder der Nuten)
ties I .äufcrs ungerade ist und daß die Winkclausdehnung
eines Pols höchstens gleich 90" abzüglich desjenigen Winkels betragt, dessen Bogen gleich einem Viertel der
Schritiweiie ist.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform beschrieben, die ihrem Aussehen nach derjenigen der F i g. 2
ähnlich ist. bei der jedoch die Nuten 6. die im Inneren
des Läufers 2 angeordnet sind, durch ein Gewinde mit
ciuadratiNchem Profil gebildet werden. Ls liegt somit
cmc spiralförmige Zähnung vor. Damit diese Zahnung
mit den Polen zufriedenstellend zusammenwirkt, isi es
erforderlich, daß die auf den Polen angeordneten Zähne
um einen Wert geneigt sind, der gleich dem Winkel der Schraubenlinie ist.
Wenn bei dieser Anordnung die Spulen der Pole 3 permanent erregt weiden, so kann der Läufer nur noch
eine Drehbewegung ausführen, die durch das Gewinde gebildeten Zähne des Läufers sind gegenüber den
Zähnen der Pole 3 blockiert. Da die Zähne des Läufers aufgrund der magnetischen Wirkung immer gegenüber
den entsprechenden Zähnen der Pole bleiben, wird eine
Drehung des Läufers 2 in eine entsprechende schraubenförmige Auslenkung umgesetzt, wie sie eine Mutter,
die sich um einen Gewindestift dreht, ausführt.
Mit Hilfe von zwei, in geeigneter Weise gespeisten Impulsgeneratoren, läßt sich somit eine schnelle lineare
Auslenkung des Läufers erreichen, die mit einer gleichzeitigen geringen Drehung (im allgemeinen
weniger als eine volle Umdrehung) verbunden ist. Dieser Vorgang läßt sich beispielsweise mit der
schnellen Grobeinstellung der großen Einheilen eines numerischen Anzeigesystems vergleichen, bei der
gleichzeitig die Anzeige der kleinen Einheiten, die dem System vorgegeben sind, ausgeführt wird. Dieses
Grob-Fein-Positionicrungssystem weist dadurch eine geringe Ansprechzeit und eine hohe Genauigkeit auf.
Wenn beispielsweise der Außendurchmesser des Läufers etwa 32,6 mm beträgt, so kann auf dem Läufer
eine Reihe von 64 Zähnen mit einer Schrittweite von 1,6 mm vorgesehen werden. Bei einem innen angeordneten
Gewinde, mit quadratischem Profil und einer Steigung von 1,6 mm erreicht man eine axiale
Auslenkung von 1,6 mm/64 = 0,025 mm für eine Umdrehung
des Läufers, die einem Schrill des Steuerorgans entspricht.
Da überdies ein System mit vier Polen 3 ein Vorrücken in Viertel Schritten erlaubt, kann für die
geradlinige axiale Auslenkung mit einem Inkrement von etwa 6 Mikrometer gerechnet werden. Dieser Wert ist
bei weitem ausreichend, um zu gewährleisten, daß die
Organe von gegenwärtig üblichen Werkzeugmaschinen mit ausreichender Genauigkeit positioniert werden.
Natürlich läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter abwandeln, indem beispielsweise die Nuten
parallel zur Achse im Inneren des rohrförmigen Läufers angeordnet werden. Die Pole 4 können dann die in der
F i g. 4 angegebene Form annehmen. Wenn überdies der Läufer 2 mit dem Aufbau einer Maschine verbunden
ware, würde er in seiner Lage festgehalten, so daß sich
das Gehäuse 1 in entgegengesetzter Richtung bewegen wurde.
Diese Ausführungsform wäre dann von Vorteil, wenn es erwünscht ist. daß mehrere Elemente mechanisch mit
dem I eil ties Antriebes verbunden sind, der sich bewegt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
- Patentansprüche:f. Rcluktanzschriumotor mit einem zylindrischen an der Oberflache mit Zahnen versehenen Läufer, die durch in Umfangsrichtung verlaufende erste Nuten gebildet sind, und mit einem Ständer, der mit ausgeprägten durch erste Spulen erregbaren ersten Polen ausgestattet ist, die mit Zähnen in einer den Zähnen· des Läufers entsprechenden Schrittweite versehen sind und die bei Erregung den Läufer in axialer Richtung schrittweise antreiben, wobei der Läufer in axialer Richtung verlaufende zweite Nuten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (6) und die zweiten Nuten (5) jeweils in anderen Teilen der Oberfläche des Läufers (2) angeordnet sind und daß der Läufer durch die zweiten Nuten (5) und im Ständer ausgebildete und durch zweite Spulen erregbare zweite Pole (4) zusätzlich in Umfangsrichtung schrittweise antreibbar ist.
- 2. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (5) und die zweiten Nuten (6) auf der Außenoberfläche des zylindrischen Läufers (2) jeweils in axial aufeinanderfolgenden Abschnitten angeordnet sind.
- 3. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten (5) und die zweiten Nuten (6) auf der Außenoberfläche des zylindrischen Läufers (2) in Abschnitten angeordnet sind, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen.
- 4. Reluktanzmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (2) ein Hohlzylinder ist, auf dessen Außenoberfläche die ersten Nuten (5), während auf dessen Innenoberfläche die zweiten Nuten (6) angeordnet sind, und daß im Innern des Läufers (2) die zweiten Pole (3) für die geradlinige axiale Bev/egung gehaltert sind.
- 5. Reluktanzmotor nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Nuten (6), deren Ebenen im wesentlichen senkrecht zur Drehachse verlaufen, durch Ausbildung eines Gewindes hergestellt sind und daß die Zähne der zweiten Pole (3) des Ständers gegenüber der Achse um einen Wert geneigt sind, der gleich dem Winkel der Schraubenlinie ist.
- 6. Reluktanzmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Nuten (6) durch ein Gewinde mit quadratischem Profil gebildet sind.
Applications Claiming Priority (2)
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FR7134793A FR2154852A5 (de) | 1971-09-28 | 1971-09-28 | |
FR7134793 | 1971-09-28 |
Publications (3)
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DE2247033A1 DE2247033A1 (de) | 1973-04-05 |
DE2247033B2 DE2247033B2 (de) | 1976-10-28 |
DE2247033C3 true DE2247033C3 (de) | 1977-06-16 |
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