DE68903182T2 - Loesbarer linearschrittmotor mit einem rueckzentrierten laeufer. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektrischen Linearschrittmotor, der einen mehrpoligen Ständer mit einer Gewindebohrung, einen Läufer, dessen Durchmesser kleiner als der der Bohrung ist, der die gleiche Gewindesteigung wie die Bohrung aufweist und in dieser in zykloider Weise unter dem Einfluß vom Ständer her wirkender Kräfte rotiert, und eine Antriebsstange umfaßt, die axial mit dein Läufer fest verbunden ist und dadurch linear an getrieben wird.
• Ein derartiger Motor wird beispielsweise in Präzisionsstellsystemen verwendet. In diesen Systemen treibt die Antriebsstange, die sich linear und schrittweise bewegt, die Stellorgane an. Man nennt sie häufig auch Steuerstange.
• Es ist bereits ein Motor dieser Art bekannt, der in der europäischen Patentschrift EP-A-0 078 740 beschrieben ist. Die Gewindegänge des Läufers sind meistens parallele Nuten mit derselben Steigung wie die Gewindegänge des Ständers, die hierbei schraubenförmig sind und aus einer Innengewindung der Bohrung des Ständers bestehen. Die Drehbewegung des Läufers wird auf diese Weise in eine lineare Bewegung umgewandelt.
• Wenn die Spulen des Ständers nacheinander erregt werden, dreht sich der Läufer unter der Einwirkung der Statorkräfte in Winkelschritten, deren Anzahl auf 360º durch die Polzahl des Ständers bestimmt wird. Jeder Umdrehung des Läufers entspricht somit ein der Teilung des Ständers entsprechender axialer Vorschub.
• Wenn keine der Spulen des Ständers erregt ist, wird der Läufer nicht mehr durch den Ständer angezogen. Er befindet sich dann in einem sogenannten ausgekuppelten Zustand und kann durch Rückstellmittel in eine der Endstellungen des Bereichs der axialen Stellungen, die er bezüglich des Ständers einnehmen kann, zurückgeholt werden. Diese Endstellung bildet hierbei seine Ruhestellung.
• Bei diesem Motortyp, bei dem der Läufer in eine zykloide Bewegung versetzt wird, wird die Antriebsstange in eine Bewegung versetzt, in der ihre Achse einen kreisförmigen Zylinder beschreibt. Da das anzutreibende Organ im allgemeinen nicht in der Lage ist, sich an diese Bewegung anzupassen, ist die Antriebsstange mit dem anzutreibenden Organ über ein doppeltes Gelenk verbunden oder besitzt einen biegsamen Zwischenteil. Diese Lösungen besitzen den Nachteil, daß sie ungenau, komplex und aufwendig sind und im Fall der Verwendung eines biegsamen Zwischenteils nur eine einzige Vorschubrichtung gestatten, und zwar diejenige, in der dieser Teil auf Zug beansprucht ist. Ein anderer Nachteil dieses Motortyps besteht darin, daß die Auskupplung nicht komplett ist und daß die Scheitel der Gewindegänge des Ständers bei der Rückkehr des Läufers in die Endstellung an den Rillen des Läufers reiben, was Verschleiß und Geräusch verursacht.
• Auf einem anderen, den Linearschrittmotoren benachbarten technischen Gebiet, nämlich auf dem Gebiet der rotierenden Schrittmotore, kennt man zahlreiche Arten von Verbindungen zwischen dem ebenfalls in eine zykloide Bewegung versetzten Läufer und der Ausgangswelle des Motors, die sich aus Gründen der Zweckmäßigkeit um sich selbst um eine feststehende Achse drehen muß.
• So werden in der Patentschrift GB-A-1 246 444 verschiedene Mittel zur Übertragung der Drehbewegung des Ständers auf die Ausgangswelle beschrieben, die an die zykloide Bewegung des Läufers angepaßt sind, während die Achse der Ausgangswelle feststehend bleibt. Diese Mittel sind beispielsweise Kardangelenke, Bälge oder exzentrische Nocken.
• Ebenso wird in der Patentschrift US-A-3 512 019 ein biegsamer Ring beschrieben, der die Bewegung des Läufers, dessen Achse hierbei einen Kegel beschreibt, auf die Ausgangswelle überträgt.
• In der Patentanmeldung FR-A-2 492 605 werden ferner Scheiben aus einem elastischen Werkstoff beschrieben, die neben ihrer Funktion der Übertragung der Bewegung des Läufers auf die Ausgangswelle die Funktion haben, eine Erzeugende des Läufers auch in Ruhestellung mit einer Erzeugenden der Bohrung des Ständers in Kontakt zu halten.
• In der französischen Patentschrift FR-A-1 317 985 wird schließlich eine elastische Gelenkkupplung beschrieben, die an die zykloide Bewegung des Läufers angepaßt ist, und zwar einer zykloiden Bewegung mit veränderlicher Amplitude, um eine Änderung der Drehgeschwindigkeit der Ausgangswelle zu bewirken.
• Alle diese flexiblen oder gelenkigen Verbindungsvorrichtungen, die zur Übertragung der Drehbewegung des Läufers auf die Ausgangswelle dienen, müssen bezüglich Torsionskräften unverformbar, bezüglich Scherkräften jedoch sehr verformbar und biegsam sein. Ihre Verwendung im Linearmotor der oben beschriebenen Art würde den erwähnten Nachteil nicht beseitigen.
• Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil insbesondere durch Schaffung eines Linearschrittmotors zu beseitigen, dessen Auskupplung komplett ist, um Verschleiß und Geräusch zu verringern.
• Gegenstand der Erfindung ist zu diesem Zweck ein Linearschrittmotor der oben beschriebenen Art, der dardurch gekennzeichnet ist, daß die Antriebsstange starr ist und Mittel vorgesehen sind, um sie radial in der Mitte der Bohrung zu fixieren, sowie elastische Rückstell-Rückzentrierungsmittel, um den Läufer bei Fehlen von vom Ständer her wirkender Kräfte auf die Antriebsstange zu zentrieren.
• Im erfindungsgemäßen Motor wird der Läufer, sobald die Erregung des Ständers aufhört, durch die elastischen Rückstell- Rückzentrierungsmittel auf die Antriebsstange rückzentriert. Da die Antriebsstange starr ist und ihrerseits radial in der Mitte der Bohrung fixiert ist, befindet sich der Läufer genau in der Mitte der Bohrung, so daß seine Gewindegänge aus denen der Gewindebohrung komplett ausgerückt sind und die aus Stange und Läufer bestehende Einheit ohne Verschleiß und ohne Geräusch in ihre Ruhestellung rückgestellt werden kann. Es ist zu bemerken, daß die elastischen Mittel zur Rückstellung und Rückzentrierung des Läufers auf die Stange nicht die Drehbewegung des Läufers auf die Stange zu übertragen haben, da diese im allgemeinen bezüglich Drehung um die eigene Achse fixiert ist. Keine Kraft wird auf sie ausgeübt, die eine Torsionsfestigkeit erfordert. Dagegen müssen sie den Läufer wirksam auf die Stange zurückholen, damit er genau zentriert ist, sobald die Ständererregung aufhört.
• Bei einer Ausführungsform ist der Läufer ein hohler Zylinder, dessen Innendurchmesser größer als der der durch ihn hindurchgehenden Stange ist, wobei die elastischen Rückstell- Rückzentrierungsmittel mindestens zwei Ringe aus elastischem Material umfassen, die in einem Abstand voneinander zwischen der Stange und dem Läufer angeordnet sind.
• Eine derartige Ausführungsform ist sehr einfach, und ihre Herstellungskosten sind nicht hoch.
• Bei einer anderen Ausführungsform ist der Läufer ein hohler Zylinder, dessen Durchmesser größer als der der durch ihn hindurchgehenden Stange ist, und umfassen die elastischen Rückstell-Rückzentrierungsmittel zwei Muffen mit axial abnehmendem Querschnitt, die auf der Stange verschiebbar gelagert sind und elastisch und in axialer Richtung gegen zwei ringförmige Flächen rückgestellt werden, die mit den beiden Enden des Läufers fest verbunden sind.
• Diese Ausführungsform ist besonders robust.
• Die Muffen können konisch oder halbkugelförmig sein. Im zweiten Fall ist die Rückholung des Läufers auf die Stange besonders wirksam und gestattet gleichzeitig ohne Schwierigkeit eine exzentrische Bewegung.
• Die ringförmigen Flächen sind zweckmäßigerweise konisch.
• Zweckmäßigerweise sind die Muffen außerhalb des Läufers angeordnet und werden elastisch und in axialer Richtung durch eine einzige Feder rückgestellt, welche außerdem bei Fehlen von vom Ständer her wirkender Kräfte die aus der Stange und dem Läufer bestehende Einheit in eine der beiden äußersten Stellungen ihres Bereichs möglicher axialer Stellungen rückstellt.
• Man erhält auf diese Weise eine Ausführungsform, die sehr zuverlässig arbeitet und bei der nur eine einzige Feder verwendet wird, um den Läufer in die auf die Stange zentrierte Stellung zurückzuholen, bevor sie in die Ruhestellung zurückgedrückt wird, wobei diese beiden Arbeitsgänge mit Sicherheit in dieser Reihenfolge durchgeführt werden, wodurch Verschleiß und Geräusch vermieden werden.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung werden im nachstehenden zwei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihre Abwandlungen beispielsweise beschrieben, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:
• Fig. 1 einen allgemeinen Schnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors,
• Fig. 2 eine detaillierte Schnittansicht der Antriebsstange und des Läufers des Motors von Fig. 1,
• Fig. 3 eine detaillierte Schnittansicht der Antriebsstange und des Läufers einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors und
• Fig. 4 eine detaillierte Schnittansicht der Antriebsstange und des Läufers einer Abwandlung des Motors von Fig. 3.
• Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, besitzt der Motor einen mehrpoligen Ständer 2 mit einer Gewindebohrung 205, wobei jeder Pol von einer Spule 201 umgeben ist.
• Eine Antriebsstange 3 ist in der Achse des Ständers 2 verschiebbar montiert und ist radial in der Mitte der Bohrung des Ständers 2 durch Lager 6 zentriert. Ein elastisches Rückstellmittel 5, und zwar im vorliegenden Fall eine Schraubenfeder, die sich einerseits an dem vorderen Flansch 202 des Motors und andererseits an einer am Außenende 301 der Stange 3 befestigten Kappe 501 abstützt, ist bestrebt, die Stange 3 in die ausgefahrene Stellung rückzustellen.
• Ein Läufer 1 in Form eines hohlen Zylinders, der ein Gewinde mit derselben Steigung wie die Bohrung 205 des Ständers besitzt, ist koaxial auf der Antriebsstange 3 montiert, wobei sein größter Außendurchmesser kleiner als der kleinste Innendurchmesser der Bohrung 205 des Ständers 2 ist. Der Innendurchmesser des Ständers 1 ist größer als der Außendurchmesser der Antriebsstange 3.
• Wie Fig. 2 zeigt, besitzt jedes der beiden Enden 12 des Läufers 1 eine Ausnehmung 13. In dem von dieser Ausnehmung gebildeten Raum befindet sich ein Ring 11, dessen Innendurchmesser im wesentlichen dem Außendurchmesser der Antriebstange 3 entspricht und dessen axiale Abmessung im wesentlichen gleich der Tiefe der Ausnehmung ist, so daß er mit dem Boden der Ausnehmung durch Anliegen zusammenwirkt. Der Außenumfang jedes Rings 11 hat ein Nutprofil, wobei diese Nut einen Wulstring 10 aus einem elastischen Werkstoff aufnimmt, dessen Außendurchmesser im wesentlichen dem Durchmesser der Ausnehmung 13 entspricht und an der zylindrischen Fläche der Ausnehmung anliegt. Die beiden Wulstringe 10 sind auf diese Weise in einem Abstand voneinander angeordnet. Die Dicke jedes Rings 11 ist so bemessen, daß sie kleiner als die Hälfte der Differenz zwischen dem Durchmesser der Ausnehmung 13 und dem Innendurchmesser des Läufers 1 und größer als die Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Läufers 1 und dem der Stange 3 ist. Auf diese Weise kann der Läufer 1 bezüglich der Stange 3 in eine radiale Bewegung versetzt werden, und unabhängig von der Amplitude dieser Bewegung wirken die Ringe 11 zusammen, indem sie auf dem Boden der Ausnehmungen 13 aaufliegen.
• Zwei elastische Ringe 4, die jeweils durch Einrastung in einer Nut der Antriebsstange 3 montiert sind, wirken zu beiden Seiten der aus Läufer 1, Ringen 11 und Wulstringen 10 bestehenden Einheit zusammen, um diese mit der Antriebsstange 3 axial fest zu verbinden.
• Wenn die Spulen 201 des Ständers 2 nacheinander mit elektrischer Energie gespeist werden, rollt der Läufer auf bekannte Weise zykoidal im Inneren der Bohrung des Ständers unter der Einwirkung der vom Ständer her wirkenden Kräfte. Durch das Zusammenwirken der Gewinde des Läufers 1 und des Ständers 2 wird diese zykloide Bewegung von einer axialen Relativbewegung von Läufer 1 und Ständer 2 begleitet, die die Stange 3 in eine axiale lineare Bewegung versetzt.
• Gleichzeitig mit dieser zykloiden Bewegung findet eine Komprimierung der Wulstringe 10 statt. Wenn der Läufer 1 radial auf den erregten Ständerpol zu angezogen wird, wird der diesem Pol diametral entgegengesetzte Abschnitt der Wulstringe 10 komprimiert und gestattet es dem Läufer 1, mit dem Ständer 2 durch gegenseitiges Ineinandergreifen ihrer Gewinde in Nähe des erregten Ständerpols zusammenzuwirken.
• Bei Unterbrechung der Erregung des Ständers wird der Läufer 1 durch die Wulsringe 10 in die Stellung rückgestellt, in der er auf die Stange 3 zentriert ist und in der seine Achse mit der der Bohrung 205 des Ständers 2 zusammenfällt. Das Gewinde des Läufers 1 und das der Bohrung 205 wirken nicht mehr zusammen. Der Motor ist somit ausgekuppelt.
• Auf diese Weise holen die Wulstringe 10 den Läufer 1 bei Fehlen von vom Ständer her wirkender Kräfte zurück, um ihn auf die Stange 3 zu zentrieren.
• Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel holt die Feder 5 die aus Stange 3 und Läufer 1 bestehende Einheit in ihre Ruhestellung zurück, die einer der beiden äußersten Stellungen des Bereichs möglicher axialer Stellungen dieser Einheit bezüglich des Ständers entspricht. Im vorliegenden Fall entspricht die Ruhestellung der Stellung, in der die Stange 3 maximal aus der Bohrung des Ständers ausgefahren ist. Eine andere Anordnung der Feder 5 könnte natürlich auch eine Ruhestellung gestatten, die der eingefahrenen Stange 3 entspricht.
• Man kann auch bei manchen Anwendungen die Feder 5 weglassen, so daß die Stange statt systematisch in dieselbe Ruhestellung zurückzukehren, bei Fehlen einer Erregung an der Stelle bleibt, an der sie sich zum Zeitpunkt des Aufhörens der Erregung befindet.
• Bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in Fig. 3 dargestellt ist, wird die Zentrierung des Läufers bezüglich der ihn durchquerenden Antriebsstange 3 durch zwei konische Muffen 31 gewährleistet, die auf der Antriebsstange 3 verschiebbar montiert sind und durch eine koaxial auf der Antriebsstange 3 montierte Schraubenfeder 30 miteinander verbunden sind.
• Jede der beiden konischen Muffen 31 wird auf diese Weise elastisch axial zu einer ringförmigen, im vorliegenden Fall ebenfalls konischen Fläche einer Buchse 32 zurückgeholt, die mit jedem der Enden des Läufers 1 verbunden ist. Jede Buchse 32 besitzt eine Schulter 33 und ist in jede der Ausnehmungen 13 eingesteckt.
• Die Muffen 31 sind im Inneren des Läufers 1 angeordnet, und jede Buchse 32 wird an jedem flachen Ende des Läufers 1 durch eine Scheibe 34 in Anlage gehalten, die zwischen die Buchse und einen mit der Antriebsstange 3 fest verbundenen Federring 4 eingesetzt ist. Die Dicke jeder Scheibe 34 ist so gewählt, daß der Läufer 1 mit der Stange 3 in Längsrichtung fest verbunden ist.
• Der Durchmesser der Bohrung der Buchse 32 ist größer als der der Antriebsstange 3, so daß eine radiale Bewegung des Läufers 1 möglich ist, die sein Zusammenwirken mit der Bohrung des Ständers 2 ermöglicht.
• Wenn der Läufer 1 auf einen der Pole des Ständers 2 zu angezogen wird, findet eine radiale Bewegung des Läufers 1 durch Gleiten der konischen Muffen 21 auf den ringförmigen Flächen der Buchsen 32 statt. Dies bewirkt eine lineare Annäherung der Muffen 31 in der Achse des Läufers 1 und eine Komprimierung der Feder 30.
• Bei Fehlen jeder Ständererregung holen die konischen Muffen 31 durch Gleiten auf den Buchsen 32 und unter der Einwirkung der Feder 30 den Läufer 1 auf die Antriebsstange 3 zurück und gewährleisten auf diese Weise die Auskupplung des Motors.
• Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 3 gezeigten Einheit. Hierbei sind die konischen Muffen 31 durch halbkugelförmige Muffen 31' ersetzt, die außerhalb des Läufers 1 zu beiden seiner Seiten angeordnet sind. Jede der Muffen 31' wird an zwei ringförmige Flächen 32', die von den Enden des Läufers 1 getragen sind und im vorligenden Fall konisch sind, durch eine Schraubenfeder 5' zurückgeholt, die koaxial auf dem (in Fig. 4) oberen Teil der Stange 3 montiert ist. Die Feder 5' liegt einerseits am hinteren Teil des Gehäuses des Motors an, der im oberen Teil von Fig. 4 dargestellt ist, und andererseits an der oberen Muffe 31'. Zwischen den beiden Federringen 4, die den Läufer 1 mit der Stange 3 axial fest verbinden, befinden sich in Fig. 4 von unten nach oben folgende Teile: eine Scheibe 34, die untere halbkugelförmige Muffe 31', der Läufer 1 und die obere halbkugelförmige Muffe 31'. Wenn der Motor ausgekuppelt ist, wird der Läufer 1 durch die halbkugelförmigen Muffen 31' auf die Stange 3 zentriert und besteht zwischen der oberen halbkugelförmigen Muffe 31' und dem oberen Ring 4 ein Spiel J. Wenn der Läufer 1 unter der Einwirkung der vom Ständer her wirkenden Kräfte von einem der Pole des Ständers 2 angezogen wird und sich dezentriert, bleibt die untere halbkugelförmige Muffe 31' an der Scheibe 34 in Anlage, und die obere halbkugelförmige Muffe 31' wird um einen Betrag von weniger als dem Spiel J nach oben gedrückt. Wenn die Erregung des Ständers aufhört, drückt die Feder 5' die obere halbkugelförmige Muffe 31' gegen die konische ringförmige Fläche 32' des Läufers, was eine Rückzentrierung des Läufers 1 auf die Stange 3 zufolge hat, wobei eine ähnliche Erscheinung zwischen der unteren halbkugelförmigen Muffe 31' und der entsprechenden ringförmigen Fläche 32' stattfindet. Die Gewinde des Läufers 1 und der Bohrung des Ständers 2 sind ausgerückt, und die Feder 5' drückt nun die aus Stange 3 und Läufer 1 bestehende Einheit in Richtung auf die in Fig. 4 dargestellte Ruhestellung, in der die Stange ausgefahren ist. Die Feder 5' hat zusätzlich zu ihrer Funktion der Rückzentrierung des Läufers 1 über die Muffen 31' die Funktion der Feder 5 von Fig. 1, die in diesem Fall weggelassen werden kann.
• Die Erfindung ist natürlich nicht auf die im vorstehenden beispielsweise beschriebenen konischen oder halbkugelförmigen Muffen 31 bzw. 31' beschränkt. Vielmehr ist es zum Erreichen einer Rückzentrierung ausreichend, daß diese Muffen einen axial abnehmenden Querschnitt besitzen und daß ihre Enden kleinen Querschnitts elastisch zu den mit den Enden des Läufers 1 fest verbundenen ringförmigen Flächen 32 und 32' elastisch zurückgeholt werden. Es ist auch nicht erforderlich, daß diese ringförmigen Flächen 32 und 32' konisch sind, sondern sie können jede geeignete Form haben, die das Gleiten auf den verschiebbaren Muffen 31 oder 31' begünstigt.

Claims (7)

1. Linearschrittmotor umfassend einen mehrpoligen Ständer (2) mit einer Gewindebohrung (205), einen Läufer (1), dessen Durchmesser kleiner als der der besagten Bohrung ist, der die gleiche Gewindesteigung wie die besagte Bohrung (205) aufweist und der in dieser in zykloider Weise unter dem Einfluß vom Ständer her wirkender Kräfte rotiert, und einen Antriebsschaft (3), welcher axial mit dem besagten Läufer (1) fest verbunden ist und dadurch linear angetrieben wird, Motor dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Schaft (3) starr ist und Mittel (6) vorgesehen sind, um ihn radial in der Mitte der besagten Bohrung (205) zu fixieren, sowie elastische Rückstell-Rückzentrierubgsmittel (10; 30, 31, 32; 5', 31', 32'), um den besagten Läufer (1) mangels vom Ständer her wirkender Kräfte auf dem besagten Schaft (3) zu zentrieren.

2. Motor gemäß Anspruch 1, bei welchem der besagte Läufer (1) ein hohler Zylinder ist, dessen Innendurchmesser größer als der des besagten , durch ihn hindurchgehenden Schaftes (3) ist, und bei welchem die besagten elastischen Rückstell- Rückzentrierungsmittel mindestens zwei Ringe (10) aus elastischem Material umfassen, die in einem Abstand voneinander zwischen dem besagten Schaft (3) und dem besagten Läufer (1) angeordnet sind.

3. Motor gemäß Anspruch 1, bei welchem der besagte Läufer (1) ein hohler Zylinder ist, dessen Durchmesser größer als der des besagten, durch ihn hindurchgehenden Schaftes (3) ist, und bei welchem die besagten elastischen Rückstell-Rückzentrierungsmittel zwei Muffen (31; 31') mit axial abnehmendem Querschnitt umfassen, die auf dem besagten Schaft (3) verschiebbar gelagert sind und elastisch und in axialer Richtung gegen zwei ringförmige Flächen (32; 32') rückgestellt werden, die mit den beiden Enden des besagten Läufers (1) fest verbunden sind.

4. Motor gemäß Anspruch 3, bei welchem die besagten Muffen (31) konisch sind.

5. Motor gemäß Anspruch 3, bei welchem die besagten Muffen (31') halbkugelförmig sind.

6. Motor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem die besagten ringförmigen Flächen (32; 32') konisch sind.

7. Motor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei welchem die besagten Muffen (31') außerhalb des besagten Läufers (1) angeordnet sind und elastisch und in axialer Richtung durch eine einzige Feder (5') rückgestellt werden, welche außerdem, mangels vom Ständer her wirkender Kräfte, die aus dem besagten Schaft (3) und dem besagten Läufer (1) bestehende Einheit in eine der beiden äußersten Positionen ihres möglichen Axialpositionsbereiches rückstellt.