DE2247033C3 - Reluktanzschrittmotor mit einem zylindrischen an der Oberfläche mit Zähnen versehenen Läufer - Google Patents

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)

1. 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. 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. 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. 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. 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. 6. Reluktanzmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Nuten (6) durch ein Gewinde mit quadratischem Profil gebildet sind.