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Schrittmotor mit großer Winkelauflösung
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Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit hoher Winkelauflösung,
Schrittmotore werden zunehmend als Servomotore zu Steuer- und Regel zwecken benutzt,
da sie für die Verarbeitung digitaler Signale prädestiniert sind und eine Vereinfachung
der Regelkreise erlauben. Bei derartigen Anwendungen ist weniger ein hoher Wirkungsgrad
und Drehmoment des Motors als vielmehr seine Fähigkeit wichtig, die Steuerimpulse
in genau reproduzierbare Winkelschritte umzusetzen.
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Bekannte Schrittmotore bestehen aus einem meist permanentmagnetischen
Rotor, der gegenüber einem durch eine größere Anzahl von Elektromagneten gebildeten
Stator um eine feste Achse drehbar gelagert ist. Stator und Rotor sind also durch
einen Luftspalt gleichbleibender Dicke voneinander getrennt. Bei einer durch den
benötigten Aufwand an Steuerelektronik begrenzten, festen Anzahl von Phasenwicklungen
ist die Anzahl der Schritte pro Umdrehung der Anzahl der Pole des Rotors bzw. Stators
proportional. Mit einer derartigen Anordnung erreicht man bei vertretbarem Aufwand
eine Winkelauflösung von etwa 0 wo. Die Einstellgenauigkeit des Schrittwinkels beträgt
etwa 3 %. Der Schrittwinkel wird durch die Anzahl der tlagnetpole bestimmt, liegt
somit fest und kann lediglich in ganzzahligen Vielfachen vergrößert werden.
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Wird z. B. fUr Positionierantriebe eine höhere Winkelauflösung gefordert,
muß ein Getriebezusatz verwendet werden, wodurch der Antrieb aufwendiger wird und
mehr Platz beansprucht. Zudem verschlechtert ein Getriebe die Einstellgenauigkeit.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen und
damit preiswerten, digital ansteuerbaren Antrieb für Positionierungen mit hoher
Winkelauflösung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1
gelöst durch a) mindestens 3 Elektromagnete, die kreisförmig angeordnet sind, und
deren Pole
b) einem aus ferromagnetischem Material bestehenden,
kreisförmig begrenzten Körper als Anlage dienen, c) wobei der Durchmesser der zur
Anlage an cHe Pole der Elektromagnete bestimmten kreisförmigen Begrenzung des ferromagnetischen
Körpers von dem Durchmesser des auf die Anlagepunkte der Magnetpole beschriebenen
Kreises abweicht.
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Der erfindungsgemäße Schrittmotor besitzt also keinen um eine feste
Achse drehbar gelagerten Rotor, sondern einen Taumel körper aus ferromagnetischem
Material, der sich beim wechselseitigen Erregen der betreffenden Elektromagnete
jeweils an deren Pole anlegt. Bei dieser Anordnung dienen die Anlagepunkte, mit
denen der Taumel körper im Reibschluß an den Magnetpolen anliegt, jeweils als Drehachse,
und der Drehwinkel ist nicht durch den Abstand der Magnetpole untereinander sondern
durch den Abstand des kreisförmig begrenzten Taumel körpers von einem gerade nicht
erregten Magnetpol bestimmt.
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Da dieser Abstand nahezu beliebig klein gehalten werden kann, lassen
sich extrem hohe Winkelauflösungen ohne Verwendung von untersetzenden Getrieben
erreichen.
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Der Abtrieb der Drehbewegung des Taumel körpers kann durch eine an
seinem Mittelpunkt befestigte Welle erfolgen. Dabei wird das Taumeln des ferromagnetischen
Körpers - bedingt durch die Verlagerung seines Mittelpunktes zusätzlich zur eigentlichen
Drehbewegung während des wechselnden Erregens der Elektromagnete - bei sehr kleinen
Schrittwinkeln, für die der Motor ja konzipiert ist, kaum stören. Denn die Amplitude
der Taumelbewegung ist so klein, daß sie durch die Elastizität der verwendeten Abtriebswelle
aufgefangen werden kann.
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Aber auch, wenn ein zu positionierender Gegenstand direkt auf den
Taumelkörper aufgebracht ist, kann das Taumeln vernachlässigt werden, da nach jedem
Zyklus, d. h. jeweils einmaligem Ablaufen aller Magnetpole durch den Taumel körper
sein Mittelpunkt wieder an den Ausgangspunkt zurückkehrt.
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Der durch einen vollständigen Zyklus definierte Winkel schritt bewirkt
also keine radiale Verschiebung des rotatorisch zu positionierenden Objekts.
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In seinem einfachsten Aufbau besitzt der Schrittmotor lediglich 3
kreisförmig um 1200 versetzt angeordnete Elektromagnete, zwischen denen ein ferromagnetischer
Zylinder taumelt. Es werden also auch für feinste Winkelschritte lediglich 3 Phasen
zur Ansteuerung des Motors benötigt. Vorteilhaft ist es jedoch, 4 jeweils im Winkel
von 900 versetzt angeordnete Elektromagnete zu verwenden weil damit erreicht wird,
daß das Auftreffen des Taumelkörpers auf die Pole der Elektromagnete senkrecht zur
kreisförmigen Begrenzung des Taumelkörpers erfolgt. Da der Drehpunkt des Taumel
körpers lediglich durch den Reibschluß zwischen einem der erregten Magnetpole und
dem Taumel körper festgelegt ist, wird durch das senkrecht zu den Anlageflächen
erfolgende Auftreffen die Einstellgenauigkeit der Drehpunkte und damit des Schrittwinkels
optimiert. Wegen der geringen Anzahl der benötigten Elektromagnete läßt sich ein
derartiger Motor sehr kompakt bauen.
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Um eine hohe Schrittfrequenz erreichen zu können ist es zweckmäßig,
den Taumel körper möglichst massearm auszuführen. Dies kann zum einen durch ein
Ausbohren des Taumel körpers erreicht werden, so daß er im wesentlichen die Form
eines Hohl zylinders annimmt. Zum anderen kann er aus einem Material bestehen, das
bei hoher Permeabilität ein möglichst geringes spezifisches Gewicht besitzt.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, einen magnetischen Rückschlußbügel vorzusehen,
mit dem die Pole der Elektromagnete untereinander verbunden werden, um die zur Bewegung
des Taumel körpers nötige Flußdichte bei hohem Wirkungsgrad zu erzeugen. Der Rückschlußbügel
kann auch als Halter für die Elektromagnete verwendet werden.
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Der erfindungsgemäße Reibschlußschrittmotor erlaubt im Gegensatz zu
den bekannten Schrittmotoren eine kontinuierlich veränderbare Schrittwinkeleinstellung,
durch die der Motor bei im wesentlichen gleichbleibendem Aufbau an den Anwendungszweck
angepaßt werden kann. Dazu ist vorgesehen, daß mindestens ein als Anlagepunkt für
den Taumel körper dienender Magnetpol radial gegenüber den Polen der übrigen Elektromagnete
verschiebbar ist, Somit läßt sich der Durchmesser des auf die Auflagepunkte beschriebenen
Kreises einstellen
und damit auch der Schrittwinkel, der direkt
vom Verhältnis der Durchmesser dieses Kreises und des Taumel körpers abhängt. Um
den Einfluß von thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf die Justierung der Magnetpolabstände
und damit auf den Schrittwinkel auszuschließen, empfiehlt es sich, die Magnetpole
samt Ruckschlußbügel und den Taumel körper aus dem gleichen Material zu fertigen.
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Bedingt durch seine große Winkelauflösung kann der Reibschluß-Schrittmotor
als Direktantrieb für hochgenaue Winkelpositionierung benutzt werden, wie z. B.
für die Steuerung von Beugungsgittern in Monochromatoren. Hier ist es möglich, auf
die bisher verwendeten, aufwendigen, mechanischen Getriebe zur Linearisierung der
Dispersion (Sinustrieb) zu verzichten und stattdessen mit elektronischer Linearisierung
durch Steuerung der Impulsanzahl zu arbeiten. Dafür ist Voraussetzung, daß die Winkelauflösung
des Motors um mindestens eine Größenordnung besser als die in Winkelschritte umgerechnete
Auflösung des Monochromators ist.
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Drehwinkelabhängige Schrittgrößen lassen sich aber auch einfach dadurch
erzeugen, daß man die Anlagefläche des Taumel körpers geringfügig abweichend von
der idealen Kreisform periodisch mit der Anzahl der benutzten Magnetpole als Steuerkurve
ausbildet. In einem allerdings durch die Anzahl n der verwendeten Elektromagnete
auf 3600/n beschränkten Winkelbereich wird dann eine der Impulsanzahl proportionale
Drehbewegung mit der Funktion gefaltet, die der Abweichung der Steuerkurve von der
Kreisform entspricht.
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Auch für Objektpositionierungen z. B. in der Mikroskopie ist der Reibschluß-Schrittmotor
vorteilhaft als Direktantrieb einzusetzen. Hier ist es zweckmäßig, die Taumelscheibe
direkt in den Drehtisch zu integrieren, auf den das zu beobachtende Objekt aufgelegt
wird.
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Das vorstehend beschriebene Prinzip eines Schrittmotors für Winkelpositionierungen
in einer Ebene läßt sich ohne weiteres auch auf Raumwinkelsteuerungen übertragen.
Dazu wird als Taumel körper eine vorzugsweise hohle "Taumelkugel" aus ferromagnetischem
Material verwendet, die in oder um
mindestens vier ebenfalls kugelförmig
angeordnete Elektromagnete gelegt ist, wobei der Durchmesser der Anlagefläche der
Taumel kugel etwas von der auf die Anlagepunkte der Pole der Elektromagnete beschriebenen
Kugel abweicht.
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Im einfachsten Falle sind vier Elektromagnete tetraedrisch, besser
jedoch sechs Elektromagnete hexagonal angeordnet und erlauben jeweils eine hochauflösende
Winkelpositionierung der Taumel kugel bzw. daran befestigter Gegenstände in einem
abtriebsseitig nur durch die Rückschlußbügel und die Elektromagnete begrenzten,
großen Raumwinkelbereich.
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Nach dem Reibschlußprinzip lassen sich neben Winkelpositionierungen
jedoch auch lineare Bewegungen ausführen. Mindestens drei beidseitig und längs eines
Stabes aus ferromagnetischem Material angeordnete Elektromagnete, die diesem Stab
als Anlage dienen, wobei die Dicke des Stabes von der Dicke des durch die Elektromagnete
begrenzten, stabförmigen Bereiches abweicht, sind bei phasenrichtiger Erregung in
der Lage, den ferromagnetischen Stab in eine kippende Linearbewegung zu versetzen.
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Auch bei diesem Schrittmotor hängt die Schrittweite vom Abstand zwischen
dem angetriebenen, ferromagnetischen Körper und den seine Anlage bildenden Magnetpolen
ab. Dieser Abstand kann durch eine entsprechende Ausbildung der Magnetpole einstellbar
gemacht werden. Man erhält somit einen Linearmotor mit verstellbarer Schrittweite,
der z. B. zum Antrieb von Scanningtischen geeignet ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindungen werden anhand der
beigefügten Zeichnungen näher erläutert: Figur 1 zeigt die Prinzipskizze eines Reibschluß-Schrittmotors.
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Figur lb verdeutlicht den zeitlichen Verlauf der Spannung zur Erregung
der nach Figur lc geschalteten Spulen des Schrittmotors aus Figur 1.
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Figur 1c skizziert eine mögliche Schaltungsanordnung der Spulen des
Schrittmotors.
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Figur 2a und b stellen jeweils Schnitte durch eine weitere Ausführungsform
eines Schrittmotors nach dem Reibschlußprinzip dar.
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Figur 3 skizziert einen Reibschlußschrittmotor mit drehwinkelabhängiger
Schrittweite.
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Figur 4 skizziert einen Reibschlußschrittmotor für Raumwinkelsteuerungen.
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Die Figuren 5a-e skizzieren einen Linearmotor nach dem Reibschlußprinzip
in verschiedenen Stadien der Bewegung.
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Der Reibschluß-Schrittmotor in Figur 1 besteht aus einer waagerecht
liegenden Weicheisenscheibe 1, die auf einem nicht dargestellten Gleitlager ruht.
Umgeben ist die Scheibe 1 von drei im Winkel von 1200 kreisförmig angeordneten Elektromagneten
2a, b und c. Auf die Stirnflächen der Magnetpole 3a, b, c, die an einem ringförmigen
Rückschlul,bügel 4 aus Weicheisen befestigt sind, läßt sich ein Kreis mit größerem
Durchmesser als der der Scheibe 1 beschreiben. Der Pol 3c ist in den Rückschlußbügel
4 eingeschraubt und läßt sich gegenüber diesem radial durch Drehen der Rändelschraube
5 verstellen.
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Der Motor wird betrieben, indem die Spulen der Elektromagnete 2a,
b und c in der durch Figur 1 c beschriebenen Weise zusammengeschaltet werden. Von
einem Mutteroszillator, der eine Rechteckspannung Ut erzeugt, werden nach 'Frequenzteilung
durch einen Faktor 6 drei jeweils um 1200 gegeneinander phasenverschobene Spannungen
U1, U2 und U3 erzeugt, mit denen die Spulen gemäß der Schaltung nach Figur lc drehstromartig
beaufschlagt werden.
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Der in Figur 1 skizzierte Bewegungszustand entspricht dem in Figur
lb dargestellten Zeitpunkt to. Zu diesem Zeitpunkt t0 liegt die Weicheisenscheibe
1 an den Polen 3a und 3b der erregten Magnetspulen 2a bzw. 2b an. Der magnetische
Fluß
innerhalb der Weicheisenteile ist durch die gestrichelten Linien angedeutet. Als
nächstes werden die Spulen 2a und 2c erregt, so daß die Weicheisenscheibe um den
Anlagepunkt des Pols 3a dreht und sich an den Pol 3c anlegt.
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Auf diese Weise führt der Mittelpunkt der Scheibe 1 also eine kombinierte
Translations- und Drehbewegung aus, die gegenphasig zur Erregung der Elektromagnete
erfolgt. Für den hier dargestellten Fall dreier mit gleichen Winkelabständen um
die Kreisscheibe verteilter Elektromagnete berechnet sich der Schrittwinkel a1 aus
der Differenz S zwischen dem Durchmesser d1 der Scheibe 1 und dem Durchmesser d3
des Kreises, der durch die Anlagepunkte der Magnetpole 3a, b und c gegeben ist zu:
was für « << 1, d. h. für den erstrebten Fall hoher Winkelauflösung in 3 guter
Näherung in
übergeht. Der Abtrieb der Drehbewegung kann durch eine im Mittelpunkt der Kreisscheibe
befestigte, elastische Welle erfolgen, die die Taumelbewegung ausgleicht.
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Zur Einstellung des Schrittwinkels a wird die Rändelschraube 5 gedreht
und damit der Pol 3c radial verschoben. Dadurch ändert sich vor allem die Differenz
s zwischen den Durchmessern d1 und d3, die den Schrittwinkel bestimmt. Dieser kann
also durch Hineindrehen der Schraube 5 in den Bügel 4 verkleinert bzw. durch Herausdrehen
vergrößert werden0
In Figur 2a ist ein direkt in einen Drehtisch
integrierter Reibschluß-Schrittmotor dargestellt. Dieser besteht aus vier kreuzförmig
angeordneten Elektromagneten 6a-d, um die ein Weicheisenring 13 gelegt ist, dessen
Innendurchmesser etwas größer als der Durchmesser des auf die Anlagepunkte der Magnetpole
7a-d beschriebenen Kreis ist.
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Mit dem Weicheisenring 13 fest verbunden ist ein Leichtmetallteller
11, auf den die zu positionierenden Objekte aufgelegt werden können. Ein Gehäuse
9 nimmt den Motor samt Drehteller 11 auf und ist mit dem gemeinsamen Fußpunkt 8
der Magnetpole 7 fest verbunden. Weiterhin fest mit dem Gehäuse 9 ist ein Ring 10
verbunden, der an seiner Unterseite in etwa gleichen Abständen drei Kugel käfige
12 besitzt, von denen zwei dargestellt sind.
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Der Teller 11 wird durch eine im Teil 8 federnd gelagerte Kugel 14
an die Unterkante des Rings 10 angelegt und somit axial festgelegt. Senkrecht dazu
kann er sich auf den Kugeln 12 bzw. 14 rollend leichtgängig in dem durch die Magnetpole
7 begrenzten Bereich bewegen.
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Beim Betrieb des Motors werden jeweils zwei Magnete in umlaufender
Folge erregt, so daß sich der Weicheisenring 13 in diesem Falle gleichsinnig folgend
an die jeweils erregten Pole anlegt. Die resultierende Taumelbewegung des Rings
13 und damit auch des Tisches 11 besitzt eine drehende Komponente, deren Schrittwinkel
a2 sich zu
ergibt, wobei e die Differenz zwischen dem Innendurchmesser d2 des Ringes 13 und
dem Durchmesser des durch die Anlagepunkte der Magnetpole 7a-d definierten Kreises
ist. Nach einer vollen Periode, also einem Gesamtwinkel a4 = 4a2 ist der sich bei
der Taumelbewegung verlagernde Mittelpunkt des Tellers 11 jeweils wieder in seine
ursprüngliche Lage zurückgekehrt.
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Soll auch hier der Schrittwinkel a2 des Motors einstellbar sein, was
z. B.
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durch eine Schraubverbindung zwischen den Magnetpolen 7 und dem ebenfalls
aus Weicheisen gefertigten Mittelteil 8 leicht zu erreichen ist, sollte darauf geachtet
werden, daß die mindestens zwei axial-verstellbaren Pole jeweils auf gleichen Abstand
e zum Ring 13 justiert werden. Andernfalls treten Ungleichmäßigkeiten im Schrittwinkel
innerhalb einer Periode auf.
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Der in Fig. 3 dargestellte Schrittmotor besitzt einen Taumel körper
27, der abweichend von der idealen Kreisform mit seiner Anlageseite als Steuerkurve
ausgebildet ist. Entsprechend der Anzahl der drei Magnete 26a-c ist der Außenumfang
des Taumel körpers 27 mit einer Periode von 1200 in drei gleiche Abschnitte eingeteilt,
in denen sich der effektive Radius des Taumel körpers 27 von einem durch die gestrichelten
Linien angedeuteten größten Wert ausgehend kontinuierlich verkleinert. Dadurch ist
der Abstand aa zwischen dem gerade nicht erregten Magnetpol 26a und dem Taumel körpers
27 und somit die Schrittgröße von dem Drehwinkel des Taumel körpers 27 abhängig.
Durch eine geeignete Ausbildung der drei Steuerkurven läßt sich nahezu jeder funktionale
Zusammenhang zwischen der Anzahl der den Motor steuernden Impulse und dem 0 resultierenden
Drehwinkel in einem Bereich bis zu annähernd 120 erzielen.
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Fig. 4 verdeutlicht die Anwendung des Reibschlußprinzips bei zweidimensionalen
Winkelpositionierungen. Zwischen den Polen 17a-d von vier tetraedrisch angeordneten
Elektromagneten 16a-d befindet sich mit etwas Spiel eine ferromagnetische Hohl kugel
19. Eine Weicheisenplatte 20 und ein Bügel 15 halten die Pole 17a-d und dienen als
magnetischer Rückschluß.
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Die Kugel kann nun Drehbewegungen um vier verschiedene, durch die
Magnetpole 17a-d festgelegte Achsen ausführen, wenn jeweils der den Drehpunkt bildende
Magnet dauernd erregt wird und die übrigen drei wie anhand von Fig. lb und lc erläutert
wechselseitig erregt werden. Der nutzbare Raumwinkelbereich, in den ein mit der
Oberfläche der Kugel 19 verbundener Gegenstand positioniert werden kann, ist bedingt
durch die Anordnung der Magnete 16a-d und den Bügel 15 natürlich kleiner als 4ist.
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In der dargestellten Anordnung der Magnete 16a-d läßt sich der Schrittwinkel
durch Justieren nur eines Magnetpols 17a einstellen und mit Hilfe einer Klemmschraube
18 fixieren, da eine Kugel durch vier Punkte hinreichend bestimmt ist.
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Der Durchmesser des durch die Magnetpole 17a-d bestimmten Innenraumes,
dessen Abweichung vom Durchmesser der Kugel 19 auch in diesem Ausführungsbeispiel
direkt den Schrittwinkel bestimmt, läßt sich also durch Verschieben nur eines Anlagepunktes
17a ändern. Es kann jedoch vorteilhaft sein, sechs Magnete zu
verwenden
und diese hexagonal anzuordnen. Damit werden dann drei senkrecht zueinander stehende
Drehachsen definiert. Außerdem trifft die drehende Kugel 19 senkrecht auf die jeweiligen
Anlagepunkte auf, so daß Drehwinkelfehler bedingt durch Gleiten der Kugel 19 auf
den Anlagepunkten vermieden werden. Bei hexagonaler Anordnung ist es vorteilhaft,
drei verstellbare Magnetpole vorzusehen, um den Innenraum exakt auf Kufelform bringen
zu können. Denn wegen der Oberbestimmung der Anlagekugel durch zwei Anlagepunkte
müssen diese ebenfalls bei änderungen des Innenraumradius an die neu eingestellte
Geometrie angepaßt werden, um einen achsenunabhängigen Schrittwinkel zu gewährleisten.
Dabei kann es vorteilhaft sein, jeweils drei Magnetpole fest miteinander zu verbinden
und die beiden Gruppen gegeneinander so verschiebbar anzuordnen, daß sich die Kugelform
des Innenraums bei Verschiebungen nicht ändert.
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Der in Fig. 5a-e skizzierte, lineare Schrittmotor nach dem Reibschlußprinzip
besteht aus einem Weicheisenstab 21 und vier Elektromagneten 22, 23, 24 und 25,
deren Pole sich jeweils paarweise gegenüberstehen. Durch sie wird ein stabförmiger
Bereich begrenzt, dessen Dicke etwas größer als die des Stabes 21 ist, der sich
zwischen den Polen, wechselseitig an diese anlegend bewegen kann.
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Bei paarweiser Erregung der Magnete in der Reihenfolge 22 + 25, 24
+ 25, 23 + 24, 22 + 23 etc. führt der Stab 21, wie in den Figuren 5a-e dargestellt,
eine wippende Bewegung aus, die ihn schrittweise von dem Spulenpaar 23/25 ausgehend
in Richtung auf das Paar 22/24 fuhrt. Die Schrittlänge pro Zyklus sx hängt von der
Dicke d des Stabes 21 und dem Abstand a der einander gegenüberliegenden Pole der
Magnete 22/24 bzw. 23/25 sowie der Entfernung E zwischen den beiden Paaren von Magnetpolen
ab und berechnet sich zu: = = 2a (a-d) E
Die Längsbewegung des
Stabes 21 kann durch eine geeignete elastische Kopplung spielfrei auf den anzutreibenden
Körper, z. B. auf den Schlitten eines Scanningtisches, übertragen werden. Es ist
auch möglich, die Elektromagnetanordnung senkrecht zur Längsachse des Stabes 21
beweglich sowie drehbar auszuführen und den Stab 21 fest mit dem anzutreibenden
Körper zu verbinden.
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Beim Betrieb versetzen dann die um den Stab 21 wippenden Elektromagnete
22-25 diesen in eine Längsbewegung. Wegen des geringen Abstandes as zwischen dem
Stab 21 und den Elektromagneten werden keine Führungen für die wippende Bewegung
der Magnete benötigt. Es genügt vielmehr, die Magnetanordnung elastisch aufzuhängen.
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Wie vorstehend beschrieben läßt sich ein digitaler Linearantrieb ohne
Getriebe, Schnecken und den damit verbundenen Nachteilen wie Spiel und Teilungsfehler
realisieren. Alle benötigten Teile können in einer Ebene angeordnet werden, so daß
sich eine sehr flache Bauform des Motors ergibt. Beispielsweise kann ein solcher
Schrittmotor dazu verwendet werden, in einem Spektrographen die zur Auswahl des
interessierenden Spektralbereichs verwendete Blende zu bewegen. Dazu wird die linear
zu verschiebende Blendenscheibe fest mit dem beweglichen, ferromagnetischen Stab
des Motors verbunden. Die Wippbewegung der-Anordnung stört nicht, da der Läufer
und somit die daran befestigte Blendenscheibe nach jeweils zwei Schritten wieder
parallel zur Führung ausgerichtet ist.