DE3217827C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Encoder zur Erfassung einer Drehzahl bzw. einer Position, insbesondere bei einem Schrittmotor, wobei der Encoder einen Rotor mit Magneten unterschiedlicher Polarität sowie einen mit Wicklungen versehenen, dem Rotor zugeordneten, scheibenförmigen Stator aufweist.

Es sind bereits Encoder bekannt, bei denen der Stator einen ringförmigen Wickelkern aufweist, wobei die Wicklungen in radialer Richtung um den Ring gewickelt sind. Dies erfolgt in einem bekannten, aufwendigen Ringkernwickelverfahren, welches jedoch dementsprechend hohe Herstellungskosten verursacht. Außerdem entstehen zwischen den einzelnen Ausgangssignalen der Spulen lückenartige Übergangsbereiche mit stark abfallender Amplitude, in denen eine genaue Lageerkennung zumindest erschwert ist. Aus der DE-PS 9 25 663 ist ein ähnlich wie der vorgenannte Encoder aufgebautes Meßgerät be­ kannt, dessen Stator ringförmig mit darum gewickelten Spulen ausgebildet ist. Außerdem ist hier eine Aus­ führungsform mit einem diametral bewickelten Rotor vorgesehen. Als Encoder für Schrittmotoren ist diese Anordnung nicht geeignet.

Aus der DE-AS 12 69 397 ist auch bereits ein Tachometer­ generator bekannt, der einen scheibenförmigen, mit Spulen versehenen Stator hat. Dieser ist zwischen zwei Rotor­ teilen eingesetzt und wird von der Rotorwelle durchgriffen. Der eine Rotorteil ist ein scheibenförmiger Permanent­ magnet und der andere Rotorteil bildet eine Eisenschluß­ scheibe oder eine zweite Permanentmagnetscheibe. Dieser Aufbau erschwert die Montage und außerdem ist die Zugäng­ lichkeit des zwischen den beiden Rotorteilen befindlichen Stators z. B. zum Einjustieren, behindert. Schließlich er­ gibt sich durch den hier vorhandenen magnetischen Rotor­ fluß durch die Statorspulen in axialer Richtung zwar eine drehzahlproportionale Spannung, jedoch ist u.a. durch diese magnetische Flußrichtung die Signalform der Ausgangs­ spannung für den Einsatz als Encoder in Verbindung mit Schrittmotoren nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung des Encoders zu vereinfachen, insbesondere auch das auf­ wendige Ringkernwickelverfahren zu umgehen und andererseits die Signalform des Ausgangssignales zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Stator wenigstens dreiphasig aufgebaut ist, daß sein Wickel­ kern eine Wickelkern-Scheibe aus magnetisch leitfähigem Material aufweist, daß die Stator-Wicklungen jeweils über diametrale Stellen des Stators, sich über Flachseiten und über die gesamte Scheibendiagonale erstreckend in Umfangs­ richtung versetzt gewickelt sind und daß der Rotor einen südmagnetischen und einen nordmagnetischen Teil aus Magnet­ werkstoff aufweist.

Durch diese Ausbildung des Encoders mit der Wickelkern­ scheibe für den magnetischen Rückschluß als Bestandteil des Stators ergibt sich ein wesentlich einfacherer Aufbau und auch eine vereinfachte Montage. Außerdem ist hier ein magnetischer Rotorfluß durch die Statorspulen etwa in tan­ gentialer Richtung vorhanden. Dies begünstigt eine Ausgangs- Signalform, die sich insbesondere bei Einsatz des Encoders in Verbindung mit Schrittmotoren vorteilhaft auswirkt, weil durch die erzielte Signalform eine besonders gute Lageer­ kennung möglich ist. Insbesondere erreicht man bei der vor­ gesehenen Art der Wicklungen über die gesamte Scheiben­ diagonale des Wickelkernes und durch die dreiphasige Aus­ bildung in erwünschter Weise eine nahezu rechteckförmige Signalform mit einem Überlappungsbereich zwischen den ein­ zelnen Signalen, so daß eine praktisch lückenfreie, kon­ tinuierliche Meßgröße zur Verfügung steht.

Die Anordnung der Statorwicklungen vereinfacht ebenfalls die Herstellung, da das Bewickeln mit einfachen Wickel­ maschinen durchgeführt werden kann, wobei nur ein Bruch­ teil der sonst gegenüber einem Ringkernwickelverfahren be­ nötigten Zeit, z. B. ein Fünftel davon, erforderlich ist. Dementsprechend sind auch die Herstellungskosten reduziert.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß für die Enden der Wicklungen sowie für deren Verschaltung eine der Wickelkern-Scheibe zugeordnete, als Leiterplatte ausge­ bildete Platte vorgesehen ist. Dadurch kann das Herstellen und auch der Einbau des Encoders vereinfacht werden. Zweckmäßigerweise ist dabei die Leiterplatte Teil des Wickelkörpers und von den Stator-Wicklungen mitumwickelt. Auch dadurch ist das Herstellen der Wicklungen vereinfacht und außerdem ist dadurch bereits eine Verbindung zwischen Leiterplatte od. dgl. und der Wickelkern-Scheibe vorhanden. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Wickel­ kern-Scheibe und die Leiterplatte in einem topfförmigen Halter aus Kunststoff eingesetzt und dort eingeklebt oder eingegossen sind. Der Stator erhält dadurch eine kompakte, stabile Bauform.

Zweckmäßigerweise weist der Halter an seinem Außenumfang jeweils diametral gegenüberliegende Aufnahmeführungen für die Wicklungen auf. Die Wicklungen sind dadurch sicher ge­ halten und man kann durch entsprechende Formgebung dieser Aufnahmeführungen auch vergleichsweise schmale Wicklungen aufbauen, was günstig für den Übergangsbereich zwischen den Signalimpulsen ist. Außerdem kann dadurch auch ein definierter Winkelquerschnitt entsprechend den Aufnahme­ führungen erreicht werden.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den wei­ teren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Er­ findung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine zum Teil im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines Motors mit Encoder,

Fig. 2 ein Diagramm des von dem Encoder gelieferten Aus­ gangssignales,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Motors mit angekuppeltem Encoder-Rotor,

Fig. 4 einen Querschnitt eines Stators,

Fig. 5 eine Rückseitenansicht eines Stators und

Fig. 6 eine Stirnseitenansicht eines Rotors.

Ein Motor 1 (Fig. 1) ist beispielsweise als Schrittmotor für eine Positioniersteuerung ausgebildet. Zur Rückmeldung seiner Ankerstellung ist ein Encoder 2 vorgesehen. Er be­ steht im wesentlichen aus einem mit der Motorwelle 3 ge­ kuppelten Rotor 4 sowie einem diesem zugeordneten Stator 5.

Der Rotor 4 weist Permanentmagnete 6, 6 a und der Stator 5 Wicklungen 7, 7 a, 7 b auf (vgl. auch Fig. 5). Bei Drehung des Rotors 4 werden in den Wicklungen 7, 7 a, 7 b Spannungen induziert, deren zeitlicher Verlauf etwa über eine Umdrehung des Rotors 4 in Fig. 2 aufgetragen ist.

Erfindungsgemäß ist der Stator dreiphasig mit den drei Sta­ torwicklungen 7, 7 a, 7 b aufgebaut, wobei diese Wicklungen, wie in Fig. 5 erkennbar, in Umfangsrichtung des Stators 5 um jeweils 120° zueinander versetzt sind. Die Wicklungen sind über die gesamte Scheibendiagonale außen um den Stator­ körper gewickelt. Dadurch ist die Herstellung eines solchen Stators 5 wesentlich vereinfacht. Der Kern des Stators 5 ist durch eine Scheibe 8 aus magnetisch leitfähigem Material ge­ bildet. Mit etwa gleichem Durchmesser ist an der Rückseite 9 dieser Scheibe eine Leiterplatte 10 vorgesehen, an der die Enden der einzelnen Wicklungen 7, 7 a, 7 b sowie auch Zulei­ tungen 11 angeschlossen sind. Außerdem ist auf der Leiter­ platte 10 die Verschaltung der Wicklungen mitaufgebracht, wobei im vorliegenden Falle die drei Wicklungen im Stern ge­ schaltet sind. Die Scheibe 8 und die Leiterplatte 10 können beispielsweise miteinander verklebt sein. Im Ausführungsbei­ spiel ist noch ein etwa topfförmiger Halter 12 vorgesehen, der die Wickelkern-Scheibe 8 sowie die Leiterplatte 10 von der Rotorseite her umgreift. Auch hier kann zur Verbindung von Scheibe 8 und Leiterplatte 10 sowie Halter 12 eine Klebeverbindung vorgesehen sein. Die Wicklungen 7, 7 a, 7 b sind über den Halter 12 gewickelt.

Zweckmäßigerweise sind am Außenumfang des Halters jeweils für eine Wicklung diametral gegenüberliegende Aufnahmefüh­ rungen in Form von etwa radialen Einkerbungen vorgesehen. Dadurch ist u. a. auch eine genaue Lagefixierung der Wick­ lungen sowie ggf. auch eine Vorbestimmung der Querschnittsform der Wicklung möglich.

Der Rotor 4 (Fig. 6) besteht im wesentlichen aus einer Träger­ platte 14 aus magnetisch leitfähigem Material, auf deren dem Stator 5 in Funktionsstellung zugewandten Seite zwei Permanent­ magnete unterschiedlicher Polarität befestigt sind. Die Träger­ platte 14 ist drehfest mit der Motorwelle 3 verbunden. Die Permanentmagnete sind etwa halbkreisförmig geformt, wobei die eine Hälfte nordpolarisiert und die andere südpolarisiert ist. Die magnetisch leitfähige Trägerplatte 14 dient auch als mag­ netischer Rückschluß. Im Trennbereich zwischen den beiden Magnethälften 15, 16 ist ein möglichst schmaler Luftspalt 17 vorgesehen. Die Magnethälften 15, 16 sind zweckmäßiger­ weise auf die Trägerplatte 14 aufgeklebt. Als Magnetwerk­ stoff kann beispielsweise eine Kobalt-Samarium-Legierung wegen ihrer hohen magnetischen Feldstärke verwendet werden. Man kann bei Verwendung dieser Magnete mit kleineren Win­ dungszahlen bei den Wicklungen 7, 7 a, 7 b arbeiten, bzw. man erhält entsprechend hohe Induktionsspannungen. Anderer­ seits kann bei Verwendung anderer Magnetwerkstoffe, die z. B. unter dem Handelsnamen Oxid 300 bekannt sind, und dann entspre­ chend höheren Windungszahlen bei den Wicklungen ein preis­ günstiger Encoder 2 aufgebaut werden.

In dem Diagramm gemäß Fig. 2 sind die einzelnen Ausgangs­ signale der Wicklungen 7, 7 a, 7 b aufgetragen. Zur Ver­ deutlichung sind die einzelnen Linienführungen etwas ver­ setzt zueinander dargestellt. Das Signal 18 ist beispiels­ weise der Wicklung 7, das Signal 18 a der Wicklung 7 a und das Signal 18 b der Wicklung 7 b zugeordnet. Man erkennt in diesem Diagramm insbesondere, daß die einzelnen Signale 18, 18 a, 18 b weitgehend bzw. angenähert rechteckförmig sind und größere Überlappungsbereiche 19 aufweisen. Durch diese relativ großen Überlappungsbereiche erhält man in vorteil­ hafter Weise ein von der Amplitude her gleichmäßiges Meß­ signal. Die Breite der Überlappung kann durch die Breite der jeweiligen Wicklungen beeinflußt werden. Durch die vor­ handene, etwa gleichmäßige, durchgehende Signalamplitude ist auch eine bessere Signalauswertung möglich. Auch hat es sich bei dem erfindungsgemäßen Encoder 2 gezeigt, daß das Ausgangssignal nur einen geringen Oberwellenanteil bzw. geringe Signalverzerrungen aufweist. Neben diesen vorer­ wähnten Verbesserungen hinsichtlich der elektrischen Eigen­ schaften ist der erfindungsgemäße Encoder insbesondere durch die Art der Bewicklung des Stators 5 auch wesentlich ein­ facher herstellbar.

Claims (10)

1. Encoder zur Erfassung einer Drehzahl bzw. einer Position insbesondere bei einem Schrittmotor, wo­ bei der Encoder einen Rotor mit Magneten unter­ schiedlicher Polarität sowie einen mit Wicklungen versehenen, dem Rotor zugeordneten, scheibenför­ migen Stator aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stator (5) wenigstens dreiphasig aufgebaut ist, daß sein Wickelkern eine Wickelkern-Scheibe (8) aus magnetisch leitfähigem Material aufweist, daß die Stator-Wicklungen (7, 7 a, 7 b) jeweils über diametrale Stellen des Stators, sich über Flachseiten und über die ge­ samte Scheibendiagonale erstreckend in Umfangs­ richtung versetzt gewickelt sind und daß der Rotor (4) einen südmagnetischen und einen nordmagne­ tischen Teil (15, 16) aus Magnetwerkstoff aufweist.

2. Encoder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei jeweils um 120° zueinander versetzte symmetrische Wicklungen (7, 7 a, 7 b) vorgesehen sind.

3. Encoder nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die drei Wicklungen (7, 7 a, 7 b) eine Sternschaltung bilden.

4. Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Enden der Wicklungen (7, 7 a, 7 b) sowie für deren Verschaltung eine der Wickelkern- Scheibe (8) zugeordnete, als Leiterplatte (10) ausge­ bildete Platte vorgesehen ist.

5. Encoder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (10) Teil des Wickelkörpers ist und von den Stator-Wicklungen (7, 7 a, 7 b) mitumwickelt ist.

6. Encoder nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wickelkern-Scheibe (8) und die Leiterplatte (10) in einem topfförmigen Halter (12) aus Kunststoff eingesetzt und dort eingeklebt oder ein­ gegossen sind.

7. Encoder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (12) an seinem Außenumfang jeweils diametral gegenüberliegende Aufnahmeführungen für die Wicklungen (7, 7 a, 7 b) aufweist.

8. Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem südmagnetischen und dem nordmagnetischen Teil (15, 16) des Rotors (4) ein Luft­ spalt (17) vorgesehen ist, und daß die Magnetteile (15, 16) auf einer Trägerplatte (14) aus magnetisch leitendem Werkstoff aufgeklebt sind.

9. Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetteile (15, 16) des Rotors (4) aus Kobalt-Samarium bestehen.

10. Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetteile (15, 16) des Rotors (4) aus einem unter dem Handelsnamen Oxid 300 be­ zeichneten Werkstoff bestehen, und daß die Windungs­ zahl der Wicklungen etwa dem vierfachen der Windungs­ zahl bei Verwendung von Samarium-Kobalt-Magnetteilen entspricht.