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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
im allgemeinen bürstenlose
Gleichstrom-(DC)-Motoren und insbesondere einen winkelbegrenzten
bürstenlosen Gleichstrom-Drehmomentmotor
zur Verwendung in pneumatischen Servoventilen und einer Vielfalt
anderer Anwendungen.
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Stand der
Technik
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Pneumatische Servoventile werden
dort eingesetzt, wo auch immer es einen Bedarf nach Bewegungssteuersystemen
mit einem geschlossenen Regelkreis und einer hohen Präzision gibt,
wie in der Automobilbauteileprüfung
und Herstellung, Halbleiterherstellung, Verpackung, Anlagenbau,
industrieller Automation und Robotertechnik, Holzverarbeitung und
dergleichen. Winkelbegrenzte Drehmomentmotoren zur Verwendung in
pneumatischen Kol-benschieber-Servoventilen
weisen üblicherweise
einen bürstenlosen
Gleichstrommotor, einen Hallsensor und eine integrierte Steuereinrichtung
auf. Der winkelbegrenzte Drehmomentmotor treibt den Ventilschieber
durch einen Exzenter an, der in der Motorwelle eingebaut ist. Der
Drehvorgang der Motorwelle wird in eine lineare Bewegung des Schiebers übersetzt,
die den Gasstrom durch die Steueranschlüsse des Servoventils moduliert.
Die Schieberposition wird durch den Hallsensor überwacht, wobei die Steuereinrichtung
die Schieberposition mit dem Ventileingangsbefehl vergleicht. Der
sich ergebende Unterschied erzeugt ein Stromsignal aus der Steuereinrichtung,
das den Ventilschieber zur gewünschten Position
treibt.
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Herkömmliche bürstenlose Gleichstrommotoren
werden in winkelbegrenzten Drehmomentanwendungen verbreitet verwendet
und weisen eine zufriedenstellende und zuverlässige Leistung auf, sind jedoch
verhältnismäßig kostspielige
Komponenten für
den Servoventilhersteller, was ein größerer Nachteil ist, da ein
bedeutender Anteil des Wiederverkaufspreises eines pneumatischen
Servoventils direkt mit den Kosten des integrierten bürstenlosen Gleichstromsmotors
verbunden ist. Gleichstrom-Bürstenmotore
sind andererseits verhältnismäßig kostengünstig, werden
jedoch niemals in solchen Anwendungen verwendet, da Gleichstrom-Bürstenmotoren nicht die Fähigkeit
der hohen Zyklenzahl und Hochfrequenz besitzen, die von Servomotoren
dieses Typs gefordert wird. Das Problem liegt in der Kommutator/Bürsten-Grenzfläche, wobei die
Bürsten/Kommutator-Verbindung
beim Gebrauch mit hoher Zyklenzahl und hoher Frequenz unzuverlässig und
unpraktisch zu verwenden wird. Kohlenstoffbürsten neigen typischerweise
dazu, sich bei Anwendungen mit hoher Zyklenzahl und/oder hoher Frequenz
infolge der Reibung zwischen den Bürsten und den Kommutatorsegmenten
abzunutzen. Außerdem
ist die Bürstensteuerung
bei Anwendungen mit hoher Zyklenzahl und winkelbegrenztem Drehmoment
ein größeres Problem,
wodurch ein komplexer und kostspieliger Steuereinrichtungsschaltungskomplex
notwendig sein kann, um das Problem zu überwinden, der jedoch die Kosten
des Servomotors weiter erhöhen
würde und
unerwünscht
ist. Daher erhebt sich die Notwendigkeit eines kostengünstigen
winkelbegrenzten bürstenlosen
Drehmoment-Gleichstromservomotors, der eine zuverlässige Leistung
bereitstellen kann, wodurch er eine lebensfähige alternative kosteneffiziente
Lösung
für Servoventilkunden darstellt.
Ein solcher Motor sollte vorzugsweise in sehr kurzer Zeit leicht
zusammenzubauen sein und sollte aus verhältnismäßig kostengünstigen, jedoch zuverlässigen Komponenten
aufgebaut sein.
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US-A-5336956 offenbart einen bürstenlose dynamoelektrische
Maschine, die einen herkömmlichen
Gleichstrom-Ankeraufbau verwendet. Die Wicklung des Ankers wird
modifiziert, indem ein Satz von drei Leitungen zu seiner Spulenringschaltung
an Punkten bereitgestellt wird, die um etwa 120° voneinander beabstandet sind.
Elektrische Energie wird in diesen Leitungen anstatt in einem Kommutator
und Bürstensatz
befördert.
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EP-A-0384495 offenbart eine Drehantriebsvorrichtung,
die aufweist: einen magnetischen Stator, eine Rotorstruktur, die
an einer Antriebswelle angebracht ist und mindestens eine elektrische
Anstriebsspulenwicklung aufweist, eine Positionsdetektionseinrichtung
zum Bereitstellen von Überwachungssignalen,
die von der Rotationsposition der Antriebswelle hinsichtlich der
Stators abhängen,
und eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von den Überwachungssignalen
betriebsfähig
ist, um die Rotation der Antriebswelle innerhalb eines voreingestellten
beschränkten
Winkelbereichs zu steuern. In einer solchen Vorrichtung sind die
Hauptleitungsdrähte
der Spule während
einer oszillierenden Bewegung des Rotors nicht direkt einer wiederholten
Belastung ausgesetzt, so daß die
Leitungsdrähte
weniger für
ein Versagen anfällig
sind, die mit einer Ermüdung
zusammenhängt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist auf
einen verbesserten winkelbegrenzten bürstenlosen Drehmoment-Gleichstromservomotor
gerichtet, der einen hohlen zylindrischen Stator, der eingebettete
Permanentmagnete aufweist, und einen Rotor aufweist, der Wicklungsspulen
und einen Kommutator mit mehreren Kommutatorsegmenten aufweist,
die konzentrisch an einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse angebracht
sind, wobei die Verbesserung aufweist: einen Lageraufbau, der nahe
dem Kommutator an der Rotorwelle angebracht ist, eine Steuereinrichtung,
die zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise
um die Rotorlängsachse
als Reaktion auf ein äußeres Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal
betriebsfähig
mit dem Rotor ver bunden ist, einen Sensor, der zur Abtastung der
begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse
mit dem Lageraufbau gekoppelt ist, wobei der Sensor ein Rückführungssignal
erzeugt, das für
die Rotorwellen-Winkelverstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung
repräsentativ
ist; und eine Schaltung zur elektrischen Kopplung der Steuereinrichtung
mit dem Kommutator und des Sensors mit der Steuereinrichtung, wobei die
Steuereinrichtung das Rückführungssignal
empfängt
und mit dem äußeren Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal
vergleicht und ein entsprechendes Rotorbewegungssteuerfehlersignal
erzeugt, wobei die Steuereinrichtung das Rotorbewegungssteuerfehlersignal
an den Kommutator übermittelt,
um die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse
zu steuern, wobei die Schaltung mindestens einen Abschnitt aufweist,
der sich während
des Motorbetriebs in Übereinstimmung
mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die
Rotorlängsachse
biegt.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung ist die Schaltung eine flexible Schaltung, die mehrere
flexible elektrische Leiter aufweist, die zwischen Lagen aus flexiblem
Isolationsmaterial eingebettet sind. Die flexible Schaltung weist
einen im wesentlichen L-förmigen
Vielfachleiterkörper
auf, der einen ersten Vielfachleiterarm, der sich zur entfernbaren
Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung mit der gesteuerten
begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse von
einem Ende des Körpers
erstreckt, und einen zweiten Vielfachleiterarm aufweist, der sich
zur Kopplung mit dem Sensor vom ersten Vielfachleiterarm stromaufwärts, vom
Lförmigen
Vielfachleiterkörper
weg erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur
entfernbaren Kopplung an die Steuereinrichtung angepaßt ist.
Die Steuereinrichtung ist eine elektronische Schaltkarte, die mindestens
ei nen integrierten Impulsbreitenmodulatorschaltungs-(IC)Chip aufweist.
Die Schaltkarte weist ferner einen oberflächenmontierten flexiblen Schaltungsverbinder
zur Verbindung mit dem anderen Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers der flexiblen
Schaltung auf.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung weist der Sensor eine Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung
zur Kopplung an den angebrachten Lageraufbau und einen ringförmigen Permanenthallmagneten
zur Kopplung an die Rotorwelle nahe der Halleffekt-Vorrichtung auf.
Der ringförmigen
Permanenthallmagnet ist an der Rotorwelle nahe der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung befestigt.
Die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung mißt Variationen
des magnetischen Flusses, die durch den festen Hallmagneten als
Ergebnis der Winkelverstellung der Rotorwelle erzeugt werden, wobei
die Halleffekt-Vorrichtung ein entsprechendes Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung
von der vorbestimmten Rotorwellen-Winkelverstellungsnullstellung repräsentativ
ist.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbessern der
winkelbegrenzten Drehmomentleistung eines Gleichstrom-Bürstenmotors
offenbart, der einen Stator, einen Bürstenaufbau und einen Rotor
aufweist, wobei der Rotor Wicklungsspulen und einen Kommutator mit
Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle
längs der
Rotorlängsachse
angebracht sind. Das Verfahren weist die Schritte auf:
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- (a) Bereitstellen eines Gleichstrom-Bürstenmotors,
- (b) Entfernen des Bürstenaufbaus
aus dem Gleichstrom-Bürstenmotor;
- (c) Bereitstellen eines Lageraufbaus, der einen unteren Abschnitt
und einen oberen Abschnitt aufweist;
- (d) Anbringen des Lageraufbaus an die Motorwelle naheliegend
zum Kommutator, wobei der untere Abschnitt des Lageraufbaus dem
Kommutator gegenüberliegt,
wobei der Lageraufbau während des
Motorbetriebs feststehend ist;
- (e) Bereitstellen einer Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung;
- (f) Bereitstellen eines ringförmigen Hallpermanentmagneten;
- (g) Anbringen des ringförmigen
Hallpermanentmagneten an die Motorwelle naheliegend zum oberen Abschnitt
des Lageraufbaus;
- (h) Befestigen des angebrachten Hallmagneten an der Rotorwelle;
- (i) Bereitstellen einer Steuereinrichtung zum Drehen des Rotors
in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse;
- (j) Bereitstellen einer flexiblen Schaltung, die einen im wesentlichen
L-förmigen
Vielfachleiterkörper
aufweist, der einen ersten Vielfachleiterarm aufweist, der sich
zur elektrischen Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung
mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die
Rotorlängsachse
von einem Ende des Körpers
erstreckt, wobei sich ein zweiter Vielfachleiterarm zur elektrischen
Kopplung mit der Halleffekt-Vorrichtung vom ersten Vielfachleiterarm
stromaufwärts,
vom L-förmigen Vielfachleiterkörper weg
erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur
elektrischen Kopplung mit der Steuereinrichtungsschaltkarte angepaßt ist;
- (k) entfernbare Kopplung des anderen Endes des L-förmigen Vielfachleiterkörpers mit
der Steuereinrichtung, um während
des Motorbetriebs einen elektrischen Kontakt zwischen dem Vielfachleiterkörper und
der Steuereinrichtung herzustellen, wobei die Steuereinrichtung
einen flexiblen Schaltungsverbinder zur Auf nahme des anderen Endes des
L-förmigen
Vielfachleiterkörpers
aufweist;
- (l) Löten
des zweiten Armes an die Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung,
um einen elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Arm und der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung herzustellen;
- (m) Klebeanbringen der gelöteten
Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung
an den oberen Abschnitt des Lageraufbaus naheliegend zum festen
Hallmagnet, um während
des Motorbetriebs eine Präzisionsabtastung
der Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung
durch die Halleffekt-Vorrichtung zuzulassen;
- (n) Bereitstellen einer Schnappbefestigungshaltekappe zur entfernbaren
Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator, und
- (o) Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator
mit der Schnappbefestigungshaltekappe, um einen elektrischen Kontakt
zwischen dem ersten Vielfachleiterarm und dem Kommutator herzustellen,
um es zuzulassen, daß die
Steuereinrichtung die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die
Rotorlängsachse
steuert, wobei die Kopplung es zuläßt, daß sich während des Motorbetriebs ein
Abschnitt des ersten Vielfachleiterarmes in Übereinstimmung mit der gesteuerten
begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse
biegt.
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Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf ein
Steuersystem für
eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung zur Verwendung mit
einem Gleichstrommotor gerichtet, der einen hohlen zylindrischen
Stator, der eingebettete Permanentmagnete aufweist, und einen Rotor
aufweist, der Wicklungsspulen und einen Kommutator mit mehreren Kommutatorsegmenten
aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse
angebracht sind, wobei das Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung
aufweist: einen Lageraufbau, der an der Rotorwelle naheliegend zum
Kommutator angebracht ist, eine Steuereinrichtung, die mit dem Rotor
zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise
um die Rotorlängsachse
als Reaktion auf ein äußeres Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal
betriebsfähig
verbunden ist, einen Sensor, der zur Abtastung der begrenzten Winkelrotation
des Rotors um die Rotorlängsachse
mit dem Lageraufbau gekoppelt ist, wobei der Sensor ein Rückführungssignal erzeugt,
das für
die Rotorwellen-Winkelverstellung von
einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ
ist, und eine Schaltung zur elektrischen Kopplung der Steuereinrichtung
mit dem Kommutator und des Sensors mit der Steuereinrichtung, wobei
die Steuereinrichtung das Rückführungssignal empfängt und
es mit dem äußeren Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal
vergleicht und ein entsprechendes Rotorbewegungssteuerfehlersignal
erzeugt, wobei die Steuereinrichtung das Rotorbewegungssteuerfehlersignal
an den Kommutator übermittelt,
um die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse
zu steuern, wobei die Schaltung mindestens einen Abschnitt aufweist,
der sich während
des Motorbetriebs in Übereinstimmung
mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die
Rotorlängsachse
biegt.
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Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung
werden aus einer Besprechung der beigefügten Zeichnungen und der folgenden
detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlich werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine seitliche perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen winkelbegrenzten bürstenlosen
Drehmoment-Gleichstromservomotors (ohne
den Stator);
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2 ist
ein perspektivische Vorderansicht des Motors der 1;
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3 ist
ein Draufsicht einer flexiblen Schaltung, die im erfindungsgemäßen Motor
der 1 verwendet wird;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Motors der 1, der zusammengebaut ist
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer Kunststoff-Haltekappe, die im
Motoraufbau der 4 verwendet wird; 6 ist ein seitliche perspektivische
Ansicht des erfindungsgemäßen Motors
der 1, mit der Rotorwelle
in der Nullstellung;
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7 ist
eine seitliche perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Motors
der 6 während des
Betriebs, wobei sich die Rotorwelle in einer Position befindet,
die von der Nullstellung versetzt ist; und
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8 ist
ein Schaltungsdiagramm, das die elektrische Verbindung zwischen
der flexiblen Schaltung und den Kommutatorsegmenten des erfindungsgemäßen Motors
der 1 zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die betreffenden Zeichnungen
der 1 – 8 beschrieben. Zusätzliche
Ausführungsformen,
Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung deutlich werden oder können durch die Praxis der Erfindung
erfahren werden.
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Die folgende Beschreibung umfaßt die beste gegenwärtig erwogene
Art, die Erfindung auszuführen.
Diese Beschreibung ist nicht in einem begrenzenden Sinne aufzufassen,
sondern wird lediglich zum Zweck der Beschreibung der allgemeinen
Prinzipien der Erfindung vorgenommen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen kostengünstigen
winkelbegrenzten bürstenlosen
Drehmoment-Gleichstromservomotor,
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der aus einem modifizierten kostengünstigen zweipoligen
Standard-Gleichstrom-Bürstenmotor
mit einem Rotor und einem Stator, einer Rotorbewegungs-Steuereinrichtung,
einer kostengünstigen
flexiblen elektrisch leitenden Schaltung, einem kostengünstigen
magnetischen Rotorwellen-Winkelverstellungssensor und einer geeigneten
Haltestruktur, wie einem Lageraufbau aufgebaut werden kann. Der
Stator ist ein üblicher
Hohlzylinderkörper
mit auf seiner Innenseite eingebetteten Permanentmagneten. Der Rotor
weist herkömmliche
Spulen, die auf eine Rotorwelle gewickelt sind, und einen Kommutator
mit einer Anzahl von Kommutatorsegmenten auf, die konzentrisch längs der
longitudinalen Rotorwelle angebracht sind.
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Der zweipolige Standard-Gleichstrom-Bürstenmotor
wird modifiziert, indem der Bürstenaufbau entfernt
wird und an seiner Stelle eine passend gestaltete flexible Vielfachleiterschaltung
eingesetzt wird, die zwischen die Steuereinrichtung, den Kommutator
und den Sensor gekoppelt wird. Die flexible Schaltung stellt über den
Kommutator einen Kanal zur elektrischen Verbindung zwischen der
Steuereinrichtung und dem Rotor und einen Kanal zur elektrischen
Verbindung zwischen dem Sensor und der Steuereinrichtung bereit.
Ein Teil der Schaltung wird zwischen dem Aufbau und dem Kommutator
gehalten und biegt sich in Übereinstimmung
mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors, ohne die
Leistung oder Zuverlässigkeit
des Motors zu beeinflussen. Der Rest der Schaltung und der Lageraufbau
bleiben während
des Motorbetriebs feststehend. Der Lageraufbau hält den Sensor und wird verwendet,
um den Motor in einem Gehäuse
für ein pneumatisches
Servoventil oder dergleichen anzubringen. Der Sensor weist eine
herkömmliche
Oberflächenmontage-
Halleffekt-Vorrichtung
auf, die auf einer Seite direkt an einen Abschnitt der flexiblen Schaltung
gelötet
ist und auf der anderen Seite in den Lageraufbau in der Nähe zu einem
ringförmigen Hallpermanentmagneten
geklebt ist, der konzentrisch an der Rotorwelle fixiert ist. Der
Sensor liefert ein Rückführungssignal
an eine Steuereinrichtung, das die tatsächliche Rotorwellen-Winkelverstellung
von einer vorbestimmten Rotorwellen-Nullstellung betrifft. Die Steuereinrichtung
vergleicht das Rückführungssignal mit
einem äußeren Befehlssignal
und treibt den Rotor (und den Schieber, falls es sich um eine pneumatische
Servoventilanwendung handelt) auf die befohlene Position, wenn sie über die
flexible Schaltung einen Fehler detektiert. Daher dienen die Steuereinrichtung,
der Sensor und die flexible Schaltung als ein Steuersystem mit geschlossener
Regelkreis-Rückführung, das
während
des Betriebs des Servomotors den Rotor über den Kommutator antreibt.
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Nun insbesondere auf die 1 – 4 bezugnehmend,
wird ein verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor, auf
den allgemein durch die Bezugsziffer 2 verwiesen wird,
zur vorzugsweisen Verwendung in einem pneumatischen Direktantrieb-Servoventil
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein pneumatisches Direktantrieb-Servoventil weist
ein Ventilgehäuse
auf, in dem ein (nicht gezeigter) Kolbenschieberaufbau angeordnet
ist. Ein winkelbegrenzter Drehmoment-Servomotor 2 ist in
der oberen Hälfte des
(nicht gezeigten) Ventilgehäuses
angeordnet. Der Servomotor 2 weist einen Rotor 4 aus
einem üblichen
kostengünstigen
Gleichstrom-Bürstenmotor auf,
der mit einer Welle 6 (4)
versehen ist, die sich konzentrisch von ihm erstreckt. Der Rotor 4 weist
eine Anzahl Spulen 8 auf, die in einer herkömmlichen
Weise auf die Welle 6 gewickelt sind, und einen Kommutator 10,
der aus einer Anzahl von Kommutatorsegmenten 12 besteht,
die konzentrisch auf der Welle 6 (1) angebracht sind und voneinander isoliert
sind. Jede Spule ist über
ein Metallkommutatorsegment mit einer benachbarten Spule verbunden,
wie in 8 gezeigt. Zum
Beispiel ist die Spule 8a über
das Kommutatorsegment 12a elektrisch mit der Spule 8b verbunden,
die Spule 8c ist über
das Kommutatorsegment 12c elektrisch mit der Spule 8d verbunden
und so weiter. An die andere (Ventil)-Seite der Welle 6 ist
ein Exzenter angebracht, der eine Antriebskugel zum Eingriff in
eine Öffnung aufweist,
die im (nicht gezeigten) Schieber vorgesehen ist. Bei einer Winkel-Hin-
und Herbewegung der Welle 6 um eine Rotorlängsachse 7 (4) bewegt sich die Antriebskugel um die
Achse vor und zurück, was
bewirkt, daß sich
der Schieber in einer Bohrung hin und her bewegt, die im Ventilgehäuse vorgesehen
ist, wobei die Rotorwellenrotation (um die Achse 7) in
eine lineare Schieberverstellung übersetzt wird, um den Luftstrom
durch die Servoventil-Steueranschlüsse zu modulieren.
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Der Servomotor 2 ist außerdem mit
einem (nicht gezeigten) Stator aus einem üblichen kostengünstigen
zweipoligen Gleichstrom-Bürstenmotor versehen,
aus dem der Bürstenaufbau
entfernt ist. Der Bürstenaufbau
wird entfernt, um die Probleme zu überwinden, die mit der Verwendung
von Bürsten
in Anwendungen mit hoher Zyklenzahl/hoher Frequenz und begrenztem
Drehmomentwinkel verbunden sind, wie hier oben beschrieben. Ein
Stator dieses Typs weist einen hohlen zylindrischen Körper mit
Permanentmagneten auf, die in seine Innenseite eingebettet sind.
Der Rotor mit den Spulenwicklungen ist konzentrisch in den Stator
eingefügt,
wodurch ein verhältnismäßig kleiner
Luftspalt zwischen den Spulenwicklungen und den Permanentmagneten
auf dem Stator bereitgestellt wird. Die Außenseite des Stators ist durch
Klebung an der Innenwand des Ventilgehäuses angebracht. Für gewöhnlich ist
eine Rastkerbe sowohl im Stator als auch im Ventilgehäuse vorgesehen,
um die Magnetpole des Stators relativ am Gehäuse physikalisch auszurichten.
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Wie in 1 gezeigt,
ist der Servomotor 2 ferner mit einem oberen Lageraufbau 14 versehen, der
konzentrisch auf der Welle 6 über dem Kommutator 10 angebracht
ist und vorzugsweise aus Metall besteht. Es ist ein anderer unterer
Lageraufbau auf der anderen (Ventil)-Seite der (nicht gezeigten)
Welle 6 vorgesehen, der ein Lager aufweist, das auf dem Exzenter
angebracht ist. Der Lageraufbau 14 hält den Rotor 4 im Ventilgehäuse und
weist verschiedene mechanische Komponenten auf. Insbesondere weist
der Lageraufbau 14 einen oberen Abschnitt 14a und
einen unteren Abschnitt 14b auf. Der untere Abschnitt 14b liegt
dem Kommutator 10 gegenüber
und weist ein Lager 16, das eine freie Rotation des Rotors um
die Achse 7 im Lager zuläßt, eine
Unterlegplatte und eine (nicht gezeigte) Lager-Vorbelastungsfeder auf.
Der obere Abschnitt 14a weist eine Lagernabe 17 auf,
die im allgemeinen die Form eines Hutes (1-2)
aufweist. Die Lagernabe 17 und das Lager 16 sind
vorzugsweise über
eine gleitsitzförmige
Verbindung verbunden, wodurch die Feder eine Kraft, oder Vorbelastung,
zwischen der Lagernabe 17 und dem Lager 16 erzeugt,
die den Rotor 6 am unteren Lager gegen eine Schulter in der unteren
Lagerbohrung des Ventilkörpers
drückt,
um jedes axiale Spiel infolge von Toleranzen aus dem (nicht gezeigten) Aufbau
zu beseitigen. Es ist an jedem Ende der Welle 6 ein Lager
erforderlich, um eine Rotation des Rotors um die Achse 7 zuzulassen.
Der Lageraufbau 14 sichert den Motor innerhalb des Ventilgehäuses über die
Lagernabe 17, die vorzugsweise durch ein Klebemittel und
Schrauben am Ventilgehäuse
befestigt ist, und daher während
des Motorbetriebs feststehend ist.
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Die andere Funkton des Lageraufbaus 14 ist es
gemäß der besten
Art, die vorliegende Erfindung zu praktizieren, einen Halt für eine herkömmliche
flexible Vielfachleiter-Schaltung 20 ( 1-2)
bereitzustellen, die eine Anzahl flexibler Kupferleiter oder Leiterbahnen 21 enthält, die
zwischen Lagen aus flexiblem isolierenden Kunststoff eingebettet
sind. Wie in 1 dargestellt,
ersetzt die flexible Schaltung 20 (die in dieser Figur
in einem freistehenden, nicht betriebsfähigen Zustand gezeigt wird)
den entfernten Bürstenaufbau
und stellt während
des Motorbetriebs eine elektrische Verbindung zwischen dem Kommutator 10 des
Rotors 4, einer Steuereinrichtung 22 (1) und einem Rotorwellen-Winkelverstellungssensor 24 bereit.
Ein Ende der flexiblen Schaltung 20 ist am Kommutator 10 angebracht
und biegt sich (7),
wenn die Rotorwelle um die Achse 7 in einer begrenzten
Winkelweise rotiert. Eine mittlere Ausdehnung der flexiblen Schaltung 20 ist
am Sensor 24 angebracht und das Ende ist mit der Steuereinrichtung 22 verbunden.
Die mittlere Ausdehnung und das andere Ende der flexiblen Schaltung
bleiben während
des Motorbetriebs vorzugsweise feststehend, obwohl sie imstande
sind sich zu biegen. Flexible Schaltungen dieses Typs können verhältnismäßig kostengünstig durch
Elektronikhersteller im ganzen Land nach Kundenwunsch gefertigt
werden und werden in verschiedenen Anordnungen in einer Vielfalt von
Anwendungen verwendet, wie Computer-Festplattenlaufwerken, Scannern,
Druckern und dergleichen. Zum Beispiel wurde die flexible Schaltung,
die in 3 dargestellt
wird, zum Zweck des Testens der vorliegenden Erfindung in einer
spezifischen Anordnung durch World Circuit Technology of Simi Valley, California,
nach Kundenwunsch gefertigt. Es können abhängig von der beabsichtigten
Anwendung andere flexible Schaltungsanordnungen eingesetzt werden.
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Der Sensor 24 weist eine
herkömmliche Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung
(Hallsensor) 26 auf, die drei (nicht gezeigte) Kontaktflächen auf
ihrer Oberseite aufweist – zwei
der Kontaktflächen
dienen zur Stromversorgung und eine Kontaktfläche zur Rückführung. Der Hallsensor 26 ist dazu
bestimmt, in einer Aussparung 28 im oberen Abschnitt der Lagernabe 17 befestigt
zu werden, die an einen ringförmigen
Hallpermanentmagneten 30 angrenzt, der durch Klebung konzentrisch
an der Welle 6 angebracht ist. Der ringförmige Hallmagnet 30 weist
einen Innendurchmesser auf, der geringfügig größer als der Durchmesser der
Rotorwelle 6 ist, und einen Außendurchmesser, der kleiner
als der Durchmesser des oberen Abschnitts der Lagernabe 17 ist,
die kreisförmig
ist und ein hohles Inneres aufweist, um den durch Klebung angebrachten
Hallmagneten 30 (2)
unterzubringen. Es wird so ein ringförmiger Abstand 32 zwischen
der Außenkante des
angebrachten Hallmagneten 30 und der Innenfläche des
hohlen oberen Abschnitts der Lagernabe 17 geschaffen, um
eine freie Rotation des Hallmagneten 30 innerhalb der Lagernabe 17 zuzulassen. Die
Hallsensoren sind verhältnismäßig kostengünstige Komponenten
und sind verbreitet kommerziell erhältlich. Der Hallsensor 26 ist
während
des Motorbetriebs feststehend und wird verwendet, Variationen im
magnetischen Fluß zu
messen, der durch den rotierenden Hallmagneten 30 erzeugt
wird, der mit der Rotorwelle um die Achse 7 rotiert. Der
Hallsensor 26 gibt ein entsprechendes analoges Spannungssignal aus,
das über
die flexible Schaltung zur Steuereinrichtung 22 weitergeschickt
wird und als Rückführung der
tatsächlichen
Rotorwellen-Winkelverstellung dient. Wenn sich die Welle 6 in
einer begrenzten Winkelweise um die Achse 7 dreht, variiert
die Rückführungsspannung
sinusförmig
relativ zum Rotorwellenwinkel der Verstellung von einer vorbestimmten
Rotorwellen-Winkelnullstellung. Beispielsweise wäre ein typischer Betriebsbereich
der Winkelverstellung des Rotors 6 um die Achse 7 (-30
Grad, 30 Grad). In einem solchen Fall würde der steilste und annähernd lineare
Abschnitt der Kurve für
einen Auftragung der Rückführungsspannung
als Funktion der Winkelverstellung im (-5 V, 5 V)-Bereich auftreten.
Der (-5 V, 5 V)-Bereich ist ein bevorzugter Abtastungs bereich, da er
die genaueste Abtastung der Winkelverstellung der Rotorwelle 6 während des
Motorbetriebs liefert.
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Wie in 1 gezeigt,
ist die Steuereinrichtung 22 eine herkömmliche und verhältnismäßig kostengünstige,
nach Kundenwunsch gefertigte Steuerschaltkarte, die einen (nicht
gezeigten) Impulsbreitenmodulator-IC-Chip enthält, der den Rotor 6 abhängig vom
benötigten
Drehmomentbetrag mit Impulsen versorgt. In der Servoventilanwendung
ruht die Steuerschaltkarte in einem (nicht gezeigten) Hohlraum auf
dem Ventil. Es wird eine Dichtung zwischen dem Ventilgehäuse und
dem Ventildeckel verwendet, um den Hohlraum abzudichten, in dem
die Schaltkarte liegt. Die Steuereinrichtung 22 ist außerdem mit
einem flexiblen Schaltungsverbinder 24 zum Zusammenpassen
mit einem Ende der flexiblen Schaltung 20 versehen. Die
in der vorliegenden Erfindung verwendete Schaltkarte wurde zum Beispiel durch
den Rechtsnachfolge der vorliegenden Patentanmeldung hergestellt.
Der Betrieb findet in einer Betriebsart mit einer geschlossenen
Regelkreisrückführung statt,
wobei die Steuereinrichtung 22 ein Rotorwellen-Winkelverstellungs-Eingangsbefehlssignal (Spannung)
von einer äußeren Quelle
empfängt,
das mit dem Rückführungsspannungssignal
verglichen wird, das vom Hallsensor 26 empfangen wird.
Das Rückführungsspannungssignal
repräsentiert
die tatsächliche
Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung,
die im Servoventilanwendungsfall dem Null-Gasstrom entsprechen würde. Wenn
ein Fehler ermittelt wird, sendet die Steuereinrichtung 22 über die
flexible Schaltung 20 ein geeignetes Steuersignal an den
Rotor 6, sich in die gewünschte (befohlene) Winkelverstellungsposition
zu bewegen.
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Gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dienen die Steuereinrichtung 22,
die flexible Schaltung 20 und der Sensor 24 als
ein automatisches Steuersy stem für
einen Rotor mit winkelbegrenzter Drehmomentbewegung, das eine geschlossene
Regelkreisrückführung aufweist,
die die Rotorwelle 6 gemäß einer Reihe von Rotorwinkelverstellungsbefehlssignalen
aus einer äußeren Quelle
in einer begrenzten Winkelweise um die Achse 7 antreibt.
Die Steuereinrichtung 22 wird durch eine (nicht gezeigte)
geregelte Gleichspannungsstromversorgung betrieben.
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Eine Verbindbarkeit als geschlossener
Regelkreis wird durch die flexible Schaltung 20 bereitgestellt,
die in einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in 3 gezeigt,
einen annähernd
L-förmigen
Vielfachleiterkörper 40 mit
einem ersten Vielfachleiterarm 42 aufweist, der sich von
einem Ende des Körpers 40 erstreckt.
Der Arm 42 weist einen Handabschnitt 44 auf, der
wiederum einen Handflächenabschnitt 46 und
drei elektrisch leitende Finger 48, 50 und 52 aufweist,
um einen elektrischen Kontakt mit einigen der Kommutatorsegmente 12 herzustellen.
Die Finger 48, 50 und 52 sind vorzugsweise
in einer Anordnung voneinander beabstandet, die es zuläßt, daß die Steuereinrichtung 22 über den
Kommutator 10 mit dem Rotor 6 in Verbindung steht,
wenn die Finger im elektrischen Kontakt mit einigen der Kommutatorsegmente 12 stehen.
Der Handflächenabschnitt 46 ist
im allgemeinen wie ein Ring geformt, um entfernbar konzentrisch
an einer Rotorwelle 6 angebracht zu werden, wobei der Ring einen
Innendurchmesser aufweist, der zu deren Unterbringung größer als
der Durchmesser der Welle 6 ist. Jeder Finger weist einen
Endabschnitt auf, der vorzugsweise ein Band aus freiliegendem Kupfer aufweist,
das auf der (nicht gezeigten) Rückseite
mit einer dünnen
Schicht einer Blei-Zinn-Lotlegierung bedeckt
ist, um zu einem einzelnen Kommutatorsegment Strom zu leiten. Insbesondere
weist der Arm 42 zwei Kupferleiterbahnen 60 und 62 (3) auf, die Strom von der
Steuereinrichtung 22 führen
und elektrischen Kontakt mit den Kom mutatorsegmenten 12c, 12f bzw. 12g aufnehmen
(8), so daß zwei aktive
elektrische Stromkreise erzeugt werden, die die Spulen 8f, 8e, 8d bzw. 8b, 8a bzw. 8c abdecken, wobei
die Spule 8g während
des Motorbetriebs inaktiv gelassen wird. Es gibt während des
Betriebs des Servomotors kein Umschalten der Spulen wie im Bürstenfall,
wobei die Vorwärts-
und Rückwärtswinkelrotation
der Rotorwelle 6 durch die Steuereinrichtung 22 als
Reaktion aus äußere Eingangsbefehlssignale
befohlen wird. Der bevorzugte Betriebsspannungsbereich beträgt in dieser
Hinsicht (-24V, 24V).
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Der Handabschnitt 44 ist
entfernbar am Kommutator 10 vorzugsweise über eine
Kunststoff-Schnappbefestigungshaltekappe 80 (4-5) angebracht,
die eine ringförmige
Basis 82 aufweist, um sie entfernbar konzentrisch an der
Rotorwelle 6 anzubringen. Die ringförmige Basis 82 weist
vorzugsweise einen Innendurchmesser auf, der zu deren Unterbringung
größer als
der Durchmesser der Rotorwelle ist. Die Haltekappe 80 ist
auch mit einer halbkreisförmigen
Innenwand 84 versehen, die nach innen ausgespart ist und
von der Basis 82 ausgeht, um die freiliegenden Kupferendabschnitte
der Finger 48, 50 und 52 an entsprechenden
Kommutatorsegmenten durch Reibung zu befestigen, so daß während des
Motorbetriebs die Kupferleiterbahnen 60 und 62 in
elektrischen Kontakt mit den Kommutatorsegmenten 12c, 12f und 12g stehen.
Die Haltekappe 80 weist außerdem eine halbkreisförmige Rückwand 88 auf,
die von der Kante der Basis 82 ausgeht, die einen Zahn 86 aufweist,
der ihn eine Richtung normal zur Achse 7 gegenüberliegend
der Wand 84 nach außen
vorsteht, um einen zusätzlichen
Befestigungs- (Reibungs-) Halt am Handabschnitt 44 während des Motorbetriebs
bereitzustellen.
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Es sollte durch einen Fachmann erkannt werden,
daß die
obige Verbindung alternativ durch Lötung oder eine Klebeverbindung
der freiliegenden Kupferabschnitte der Finger 48, 50 und 52 über Verbindungsdrähte mit
jeweiligen Kommutatorsegmenten hergestellt werden kann. Jedoch wird
eine solche Verbindung nicht bevorzugt, da Drähte typischerweise eine Ermüdung erfahren
würden
und verhältnismäßig schnell
durch die Hin- und Herbewegung der Rotorwelle mit hoher Zyklenzahl
brechen können. Außerdem sind
Verbindungsdrähte
im allgemeinen steifer als eine flexible Schaltungsverbindung, was zusätzliche
Positionsfehler zwischen dem Befehlssignal und dem Rückführungssignal
vom Hallsensor 26 erzeugt. Außerdem wird die Montagezeit
mit der flexiblen Schaltung beträchtlich
reduziert, verglichen mit der Lötung
von Drähten
an die Kommutatorsegmente, die einen verhältnismäßig großen Massenbetrag aufweisen
und eine wesentliche Erwärmung
benötigen,
um die Kommutatorsegmentoberfläche
auf Löttemperatur
zu bringen. Außerdem
bringt die Erwärmung
der Kommutatorsegmente das Risiko mit sich, die Verbindung zwischen
dem Kommutatorsegment und dem Isolationsmaterial zu beschädigen, auf
dem es befestigt ist. Die flexible Schaltungs-/Kommutatorverbindung
wird daher gemäß der besten
Art, die vorliegende Erfindung zu praktizieren, bevorzugt, da sie
eine schnelle Montagezeit und eine zuverlässige elektrische Verbindung
bereitstellt und kein bedeutendes Moment (Kraft) auf den Rotor ausübt.
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Wenn der Servomotor zur Verwendung
in der pneumatischen Servoventilanwendung gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung zusammengebaut wird, sollte eine Eichung (oder Orientierung)
der Finger 48, 50, 52 relativ zu den
Kommutatorsegmenten ausgeführt
werden. Insbesondere sollte eine imaginäre Linie 90, wie in 3 gezeigt, die den bogenförmigen Abschnitt
des Raums zwischen den Fingern 48 und 50 teilt,
so gezogen werden, daß sie
mit der Achse der exzentrischen Antriebskugel zusammenfällt. Die
Nullstellung ist folglich durch die Halbierende definiert, die mit
der Achse der exzentrischen Antriebskugel zu sammenfällt. Diese
Position ist auch als die Position des Null-Gasstroms definiert, wie oben erwähnt. Eine
Nullstellung der Rotorwelle 6 wird in 6 dargestellt.
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Der flexible Schaltungskörper 40 weist
auch einen zweiten Vielfachleiterarm 52 auf, der einen
Endabschnitt 54 aufweist, der ebenfalls Bänder freiliegenden
Kupfers aufweist, die zum Anbringen an den Hallsensor 26 und
um Strom zu ihm zu leiten, jeweils auf der (nicht gezeigten) Rückseite
mit einer dünnen Schicht
einer Blei-Zinn-Lotlegierung bedeckt sind. Jedes Band des freiliegenden
Kupfers entspricht einer bestimmten Kupferbahn, die im Arm verläuft.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der freiliegende Kupferabschnitt
des zweiten Armes 52 unter Verwendung einer üblichen
Blei-Zinn-Lotlegierung direkt an den oberen Teil des Oberflächenmontage-Hallsensors 26 gelötet. Insbesondere
weist der Arm 52 drei Kupferleiterbahnen 56, 57 und 58 (3) auf, die jeweils mit
den oben beschriebenen drei oberen Kontaktflächen des Oberflächenmontage-Hallsensors 26 verbunden
sind. Die Leiterbahn 58 ist vorzugsweise dazu bestimmt,
das Rückführungssignal
der Rotorwellen-Winkelverstellungsposition zur Steuereinrichtung 22 zu übertragen,
während
die Leiterbahnen 56 und 57 den Strom führen, der
durch die Steuereinrichtung 22 geliefert wird. Der bevorzugte
Stromversorgungsbereich beträgt,
wie oben erwähnt,
(-5V, 5V) .
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Es sollte durch einen Fachmann erkannt werden,
daß eine
solche Verbindung die Montagezeit beträchtlich reduziert und gleichzeitig
eine zuverlässige
elektrische Verbindung für
den Hallsensor bereitstellt. Der gelötete Hallsensor wird dann durch Klebung
in der Aussparung 28 angebracht, wie in 2 dargestellt.
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Das andere Ende des flexiblen Schaltungskörpers 40 weist
einen Anschlußabschnitt 70 auf,
der auf der (nicht gezeigten) Rückseite
mit Bändern
aus freiliegendem Kupfer versehen ist, wobei jedes Band mit einer
dünnen
Schicht einer Blei-Zinn-Lotlegierung versehen ist und einer bestimmten
Kupferleiterbahn entspricht, die in diesem Abschnitt der flexiblen Schaltung
verläuft,
zur Paarung mit dem flexiblen Schaltungsverbinder 24 (1). Der Anschlußabschnitt 70 trägt alle
fünf Leiterbahnen
des Verbinders 24, die die elektrische Verbindung des geschlossener Regelkreises
schließen.
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Der flexible Schaltungskörper 40 ist
ferner mit einem Paar ringförmiger
Entlastungsnasen 72 bzw. 74 versehen (3), die in einen Entlastungsstift 76 eingesetzt
werden, der sich nach außen
parallel zur Achse 7 vom unteren Abschnitt des Lagers 16 erstreckt.
Die Nasen 72 und 74 sind in einer solchen Weise
vom Handabschnitt 44 angeordnet, daß sie es zuzulassen, daß der Abschnitt
der flexiblen Schaltung, der zwischen der Stiftverbindung und der Kommutatorverbindung
angebracht ist, imstande ist, sich in Übereinstimmung mit der winkelbegrenzten Drehmomentbewegung
des Rotors 6 zu biegen, ohne die Leistung oder Zuverlässigkeit
des Motors mit dem Rest der flexiblen Schaltung zu beeinflussen,
der während
des Motorbetriebs feststehend bleibt. Außerdem ist der Lageraufbau 14 mit
einem seitlichen Ausschnitt 100 (1) versehen, um eine Befestigungsstütze für den Abschnitt
des flexiblen Schaltungskörpers
zwischen dem ersten und zweiten Arm bereitzustellen.
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Da die flexible Schaltung 20 mit
dünnen
Lagen aus Kunststoff bedeckt ist, wird eine bestimmte Menge zusätzlichen
Kupfers zwischen den Lagen in gekennzeichneten Bereichen um den
Schaltungskörper
eingebettet, wie den Bereichen 102, 103, 104 und 105,
um eine zusätzliche
strukturelle Festigkeit bereitzustellen, wie in 3 gezeigt. Außerdem sind (nicht gezeigte) Zugentlastungsbereiche
in kritischen Bereichen vorgesehen, indem zusätzliches Kunststoffmaterial,
wie zum Beispiel um die Krümmung des
Handabschnitts 44 und in dem Bereich zwischen den Nasen 72 und 74 gebündelt wird.
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Der oben beschriebene verbesserte
winkelbegrenzte Drehmoment-Servomotor
ist zu einer hohen Betriebszyklenzahl von typischerweise bis zu
30 Millionen Zyklen und einen Frequenzbereich von 40 Hz – 100 Hz
imstande, wobei ein Zyklus zum Beispiel bei 10 Grad beginnen, dann
auf 30 Grad drehen und dann zurück
auf 10 Grad drehen könnte.
Der bevorzugte Betriebsbereich des erfinderischen Servomotors beträgt in der
Servoventilanwendung (-30 Grad, 30 Grad), wodurch 30 Grad als voller
Gasstrom zu einem Ende des Servoventilzylinders definiert würden, und
-30 Grad als voller Gasstrom zum anderen Ende des Zylinders definiert
würden.
Jeder Drehwinkel der Rotorwelle 6 zwischen diesen optimalen
Werte würde
als teilweiser Strom in die jeweilige Richtung definiert. Eine solche
Rotorwellenverstellung wird in 7 gezeigt.
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Es ist beachtenswert, daß der Servomotor 2 in
der Servoventilanwendung optimal im Bereich von (-40 Grad, 40 Grad)
betrieben werden kann, wobei jeder der optimalen Werte einen tatsächlichen
mechanischen Stop entspricht, der durch einen Hülsenstopfen auf jeder Seite
der Hülsen
bereitgestellt wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbessern der
winkelbegrenzten Drehmomentleistung eines Standard-Gleichstrom-Bürstenmotors offenbart. Der
Standard-Gleichstrommotor weist einen Stator, einen Bürstenaufbau
und einen Rotor auf, wobei der Rotor Wicklungsspulen und einen Kommutator
mit Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch auf einer Rotorwelle
längs der Rotorlängsachse
angebracht sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
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- (1) Bereitstellen eines Gleichstrom-Bürstenmotors;
- (2) Entfernen des Bürstenaufbaus
von dem Gleichstrom-Bürstenmotor;
- (3) Bereitstellen eines Lageraufbaus, der einen unteren Abschnitt
und einen oberen Abschnitt aufweist;
- (4) Anbringen des Lageraufbaus an die Motorwelle naheliegend
zum Kommutator, wobei der untere Abschnitt des Lageraufbaus dem
Kommutator gegenüberliegt,
wobei der Lageraufbau während des
Motorbetriebs feststehend ist;
- (5) Bereitstellen einer Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung;
- (6) Bereitstellen eines ringförmigen Hallpermanentmagneten;
- (7) Anbringen des ringförmigen
Hallpermanentmagneten an die Motorwelle naheliegend zum oberen Abschnitt
des Lageraufbaus;
- (8) Klebebefestigen des angebrachten Hallmagneten an der Rotorwelle;
- (9) Bereitstellen einer Steuereinrichtung zum Drehen des Rotors
in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse;
- (10) Bereitstellen einer flexiblen Schaltung, die einen im wesentlichen
L-förmigen
Vielfachleiterkörper
aufweist, der einen ersten Vielfachleiterarm aufweist, der sich
zur elektrischen Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung
mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die
Rotorlängsachse
von einem Ende des Körpers
erstreckt, wobei sich ein zweiter Vielfachleiterarm zur elektrischen
Kopplung mit der Halleffekt-Vorrichtung vom ersten Vielfachleiterarm
stromaufwärts,
vom L-förmigen Vielfachleiterkörper weg
erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur
elektrischen Kopplung mit der Steuereinrichtungsschaltkarte angepaßt ist;
- (11) entfernbare Kopplung des anderen Endes des L-förmigen Vielfachleiterkörpers mit
der Steuereinrichtung, um während
des Motorbetriebs einen elektrischen Kontakt zwischen dem Vielfachleiterkörper und
der Steuereinrichtung herzustellen, wobei die Steuereinrichtung
einen flexiblen Schaltungsverbinder zur Aufnahme des anderen Endes
des L-förmigen
Vielfachleiterkörpers
aufweist;
- (12) Löten
des zweiten Armes an die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung,
um einen elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Arm und der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung
herzustellen;
- (13) Klebeanbringen der gelöteten
Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung
an den oberen Abschnitt des Lageraufbaus naheliegend zum festen
Hallmagnet, um während
des Motorbetriebs eine Präzisionsabtastung
der Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung
durch die Halleffekt-Vorrichtung zuzulassen;
- (14) Bereitstellen einer Schnappbefestigungshaltekappe zur entfernbaren
Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator, und
- (15) Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator
mit der Schnappbefestigungshaltekappe, um einen elektrischen Kontakt
zwischen dem ersten Vielfachleiterarm und dem Kommutator herzustellen,
um es zuzulassen, daß die
Steuereinrichtung die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die
Rotorlängsachse
steuert, wobei die Kopplung es zuläßt, daß sich während des Motorbetriebs ein
Abschnitt des ersten Vielfachleiterarmes in Übereinstimmung mit der gesteuerten
begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse
biegt.
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Wenn der Servomotor in der pneumatischen Servoventilanwendung
mit Direktantrieb verwendet wird, würde ein zusätzlicher Verfahrensschritt
benötigt.
Der zusätzliche
Schritt wäre
die Eichung der Rotorwellen-Winkelnullstellung, wie oben beschrieben. Es
sollte durch einen Fachmann erkannt werden, daß der neuartige winkelbegrenzte
bürstenlose
Drehmoment-Gleichstromservomotor nicht nur in Servoventilen, sondern
in einer Vielfalt anderer Anwendungen verwendet werden kann, vorausgesetzt,
daß solche Anwendungen
nicht den beabsichtigen Zweck der vorliegenden Erfindung verlassen.
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Der oben beschriebene erfinderische
Servomotor kann aus kostengünstigen,
jedoch zuverlässigen
Komponenten hergestellt werden, ist in Sekunden einfach zusammenzubauen
und liefert eine zuverlässige
winkelbegrenzte Drehmomentleistung, die der Leistung herkömmlicher
bürstenloser
Gleichstromservomotoren bei einem Kostenunterschied von etwa 10:1
entspricht.
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Während
die vorliegende Erfindung hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsformen
im Detail beschrieben worden ist, sollte erkannt werden, daß verschiedene
Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung vorgenommen
werden können, ohne
den Rahmen oder Geist der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann
es möglich
sein, den neuartigen Servomotor in der pneumatischen Servoventilanwendung
so zu modifizieren, daß der
erfinderische obere Lageraufbau an einer geeigneten Stelle innerhalb
des Servoventilgehäuses
integriert wird. In einem solchen Fall würde der Hallsensor dauerhaft außerhalb
des Servomotors angrenzend an den Hallmagneten, der Teil des Servomotoraufbaus
bleiben würde,
an dem integrierten oberen Lageraufbau angebracht werden. Ein solcher
Aufbau würde
die Anzahl der Teile reduzieren, die erforderlich sind, um den Servomotor
zusammenzubauen, und würde
die Art der Herstellung des Servomotors ändern, wobei der Rotor (im
Ventilgehäuse)
im integrierten oberen Lageraufbau angebracht wird, der Hallmagnet
danach an der Welle im hohlen oberen Abschnitt der Lagernabe, die
Teil des integrierten Lageraufbaus ist, angrenzend an den Hallsensor angebracht
wird, wobei die flexible Schaltung und die Steuereinrichtungskarte
in der hierin oben beschriebenen Weise zusammengebaut werden. Außerdem ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines Hallsensor/Hallmagnet-Paares
zur Abtastung der Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Drehwellennullstellung
beschränkt.
Es können
andere Typen von Sensoren verwendet werden, um die Winkelverstellung
der Rotorwelle von der Nullstellung während des Betriebs des Servomotors
abzutasten, vorausgesetzt, dafl die Verwendung solcher Sensoren
nicht den beabsichtigen Zweck der vorliegenden Erfindung verläßt.