DE69302053T2 - Schrittmotor - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Schrittmotoren und insbesondere die Elemente, die einen Schrittmotor bilden.
• Figur 1 stellt in einer Explosionsansicht eine klassische Schrittmotorstruktur dar. Dieser Motor weist einen Rotor 10 auf, der aus einer Achse 12 aus vergütetem bzw. gehärtetem Stahl besteht, die in einem Mittelteil 13 (das im folgenden Rotorteil genannt wird) aus Plastikmaterial eingepaßt ist. Die Achse 12 kann in der Rotation in Bezug auf das Rotorteil 13 durch verschiedene klassische Mittel festgelegt werden, wie beispielsweise jene, die in der französischen Patentanmeldung 2.439.501 beschrieben sind. Ein Permanentmagnet 14 in Form eines zur Achse 12 konzen trischen Rings bildet ein Stück mit dem Rotorstück 13, beispielsweise durch Umformung bzw. Anspritzen der Selben auf den Magneten. Der Magnet 14 weist eine Vielzahl von axialen Zonen auf, die abwechselnd gemäß den gegenüberliegenden Polaritäten magnetisiert sind.
• Ein Stator weist zwei Paare (ein einziges Paar 16 ist dargestellt) von axialen Reihen von Polzähnen 18 auf, die den Rotor umringen. Die Zahnreihen 18 sind jeweils aus einem Stück mit zwei ringförmigen radialen Scheiben 20 bzw. 21 und erstrecken sich senkrecht zu diesen Scheiben. In der Figur 1 erstrecken sich die Zähne der Scheibe nach unten und sind im Eingriff mit den Zähnen der Scheibe 21, die sich nach oben erstrecken. Eine Fixierscheibe 22 ist auf die ringförmige Scheibe 20 aufgesetzt. Um die in Eingriff stehenden Zahnreihen 18, zwischen den Scheiben 20 und 21, ist ein Käfig 24 aus einem Isoliermaterial angeordnet, in den eine Spule 25 gewickelt ist. Im Fall eines Bipolar-Motors gibt es eine einzige Spule 25 und im Fall eines Unipolar-Motors gibt es zwei Spulen 25 die aus zwei gleichzeitig gewickelten Drähten bestehen. Die Enden bzw. Anschlüsse der Spulen sind auf Kabelschuhe bzw. Anschlüsse 27 geschweißt bzw. gelötet, die aus einem Stück mit dem Käfig 24 sind, mit denen elektrisch isolierte Versorgungskabel 28 des Motors verbunden sind.
• Die Statoranordnung, die aus den Elementen 18-28 gebildet ist, kann in ein nicht gezeigtes Harz eingegossen werden. Eine zweite Statoranordnung ist axial zur Statoranordnung 18-28 benachbart angeordnet um ein zweites Zahnreihenpaar 16 zu bilden. Die beiden Statoranordnungen werden rotationsmäßig in vorbestimmter Weise bezüglich einander um die Achse 12 herum angeordnet.
• Auf der Statoranordnung, mit 18-28 dargestellt, ist ein radiales Verschlußstück 30 fixiert, das ein Führungskugelgelenk 32 der Achse 12 aufweist. Ein gleiches, nicht gezeigtes Teil 30 ist auf der nicht gezeigten Statoranordnung der anderen Seite des Rotors 10 befestigt. Das Kugelgelenk 32 wird in einer verdickten Mittelzone 30-1 des Verschlußstücks 30 geführt. Diese verdickte Zone 30-1 weist einen aufgesetzten Teil 30-2 auf, der dazu bestimmt ist, die Montage des Kugelgelenks 32 zu gestatten. Der aufgesetzte Teil 30-2 wird Dank eines ringförmigen Ringes 34 gehalten, der die verdickte Zone 30-1 und das aufgesetzte Teil 30-2 umgibt. Ein ringförmiger Vorsprung 30-3 des Teils 30 koaxial zur Achse 12 dient in verschiedenen Anwendungen dazu, den Motor zu zentrieren. Es gibt Schrittmotoren von geringerer Qualität, die mit Gleitlagern anstelle von Kugelgelenken ausgestattet sind.
• Der Rotor 10 ist in axialer Richtung festgelegt und zwar Dank eines Federsystems 38. Die Feder 38 wird auf der Achse 12 zentriert und in einer zylindrischen Ausnehmung 13-1 des Rotorteils 13 angeordnet. Diese Feder stützt sich ab zwischen dem Teil 13 und einer Kappe 39, die sich in der Ausnehmung 13-1 bewegt. Scheiben 40 aus einem Material mit geringen Reibungskoeffizienten sind um die Achse 12 herum angeordnet und zwar jeweils zwischen dem gezeigten Kugelgelenk 32 und der Kappe 39 und zwischen dem Mittelteil 13 und dem Kugelgelenk des nicht gezeigten Verschlußteils.
• Die Elemente 18, 20 und 21 sind aus einem magnetischen Material. Ein nicht gezeigter Gürtel bzw. Ring, ebenfalls aus einem magnetischen Material, umschließt den Umfang der Statoranordnung 18-28 und tritt in Kontakt mit den Ringscheiben 20 und 21 um einen Schluß der magnetischen Flußzirkulation sicherzustellen.
• Ein solcher Motor weist ungefähr 30 Teile auf, von den einige für sich teuer sind (gehärtete Achse 12, Kugelgelenke 32 und ihre zugeordneten Verschlußteile 30,...). Diese große Anzahl an Teilen bewirkt hohe Kontroll- und Montagekosten des Motors, genauso wie Automatisierungsschwierigkeiten.
• Die Anmelderin hat festgestellt, daß das Vorhandensein einer großen Anzahl von Teilen in einen solchen Motor im Allgemeinen für die Notwendigkeit sorgt, die Tatsache zu kompensieren, daß bestimmte Teile, insbesondere die Statorgruppen 18-28 variable Abmessungen und Geometriefehler von einem Teil zum anderen besitzen. Es ist nämlich nötig, eine Kugelgelenklagerung 32 vorzusehen, denn man ist sich der Parallelität zwischen den beiden Verschlußteilen 30 und der Ausrichtung der Gleitlager 32 nicht sicher, da diese Parameter im Wesentlichen von der Parallelität abhängen und von unsicheren Ausrichtungen zwischen den Scheiben 20 und 21 der Statoranordnungen 18- 28. Darüber hinaus ist es nötig, ein Axialspielausgleichssystem 38, 39, 40 vorzusehen, denn man ist sich nicht des Abstandes sicher, der die Verschlußteile 30 trennt, die im Wesentlichen von der unsicheren Höhe der Statoranordnugen abhängt. Es ist auf jeden Fall nötig, ein geschmiertes Lager (32) vorzusehen (das Material der Kugelgelenke 32 ist im Allgemeinen selbstschmierend), und zwar zwischen zwei nichtgeschmierten Metallstücken (12, 30) in Reibkontakt.
• Weiterhin macht die Verwendung eines emaillierten bzw. beschichteten Drahtes für die Wicklungen bzw. Spulen nötig, folgendes vorzusehen: Isolierkäfige 24 um zu vermeiden, daß das Emaille bzw. die Beschichtung durch Reibung gegen metallische Teile abspringt, Kabelschuhe 27 um die Spulen zu verbinden bzw. anzuschließen, und einen Schutz gegen äußere Angriffe, wie beispielsweise eine Umformung bzw. eine Umspritzung oder einen Deckel aus Plastikmaterial.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es also, eine Schrittmotorstruktur vorzusehen, die es gestattet, ungefähr 3 mal weniger Teile als eine klassische Struktur zu verwenden.
• Diese Ziel wird Dank eines Schrittmotors erreicht, der folgendes aufweist: Einen Rotor, der mit einer Achse ausgerüstet ist und am Umfang mit einem Permanentmagneten, der gemäß den axialen Mehrfachstirnseiten mit wechselnden Polaritäten magnetisiert ist; Ein Stator, der mit zwei Paaren von Polzahnreihen versehen ist, die den Rotor umringen, wobei die jeweiligen Zähne der Reihen eines Paares axial in Eingriff stehen; Zumindest eine zur Achse koaxiale und jedem Paar von Zahnreihen zugeordnete bzw. assoziierte Spule; Und zwei Radialflansche, die auf beiden Seiten des Rotors angeordnet sind, und zwar jede versehen mit einer zurückgebogenen Mittelzone, die der Achse als Lager dient, wobei der Rotor einen Rotorteil aus Plastikmaterial aufweist, der die Achse bildet und den Magneten trägt; Wobei die Polzähne teil des selben Rohrstücks sind, wobei der Zusammenhalt des Rohrteils sichergestellt wird durch verjüngte bzw. dünnere Zonen des Selben die zwischen den Selben die Zahnreihen jedes Paares verbinden; Eine ringförmige Scheibe, die mit dem Rohrteil aus einem Stück ist, und um jenes herum angeordnet ist, und zwar auf der Höhe der Schnittstelle zwischen zwei Paaren von Zahnreihen, und die mit den Flanschen zwei Zo nen bildet, die bestimmt sind, um jeweils zumindest eine Spule bzw. Wicklung aufzunehmen; Wobei die Wicklungen bzw. Spulen aus isoliertem Draht bestehen, der direkt um das rohrförmige Teil herum gewickelt ist. Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung sind die Polzähne teil des gleichen Rohrteils, wobei der Zusammenhalt des Rohrteils sichergestellt wird durch verjüngte bzw. dünne Zonen des Selben, die die Zahnreihen eines jeden Paares miteinander verbinden.
• Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung weist der Motor eine ringförmige Scheibe auf, die aus einem Stück mit dem Rohrteil ist und um das Selbe herum angeordnet ist, und zwar auf der Höhe der Schnittstelle bzw. der Grenze zwischen den beiden Paaren von Zahnreihen, und die mit den Flanschen zwei Zonen bildet, die dazu bestimmt sind, jeweils zumindest eine Spule bzw. Wicklung aufzunehmen.
• Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung bestehen die Spulen bzw. Wicklungen aus isoliertem Draht, der direkt um den Rohrteil herum gewickelt ist.
• Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung weisen die Flansche Zentrieransätze des Rohrteils auf, wobei diese Ansätze genauso wie der Ring, der als Lager dient ausgehend von einem gleichen flachen Teil, und zwar durch Tiefziehen und/oder Gesenkformen erhalten.
• Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird das Rohrteil aus einem eingerollten flachen Teil gebildet ist, in welchem die Zahnreihen vorgeschnitten sind.
• Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung weist zumindest ein Endteil der Achse eine spezifische Form auf, die erhalten wird durch einen gleichen Spritzvorgang wie beim Rotor und der Achse.
• Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist die Achse mit einem durchgehenden Axialloch versehen.
• Diese Ziele, Merkmale und Vorteile ebenso wie andere Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Einzelnen an Hand der Ausführungsbeispieie beschrieben, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind; in der Zeichnung zeigt:
• Figur 1, wie zuvor beschrieben, eine klassische Schrittmotorstruktur; und
• Figur 2 eine Schrittmotorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.
• In der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Schrittmotorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung in einer teilweise explodierten Schnittansicht dargestellt. Dieser Motor weist einen Rotor 10 auf, der aus einem ringförmigen Magneten 14 besteht, und zwar genauso wie der der Figur 1, umgossen mit einem Rotorteil 50 aus Pla stikmaterial. In diesem Rotorteil 50 sind zwei Halbachsen 51 verwirklicht, die sich zu beiden Seiten des Teils erstrecken. Diese Halbachsen 51 werden beispielsweise durch Formen, Aufspritzen oder Drehen erhalten. Im Teil 50 hat man ebenso an der Basis bzw. dem Ansatz der beiden Hal bachsen 51 Schultern bzw. Absätze 52 geformt, deren Radialstimseiten um einen präzisen Wert beabstandet sind, der leicht durch eines der oben genannten Verfahren erhalten werden kann. Die Rolle der Schultern sei im Folgenden dargestellt.
• Die Halbachsen 51 werden jede in einer ringförmigen Zone 54 der beiden Flansche 55 geführt, die den Motor auf beiden Seiten des Rotors 10 schließen. Durch die Verwendung eines Plastikmaterials mit geringen Reibungskoeffizient für das Rotorteil 50 ist es nicht nötig, ein geschmiertes Lager zwischen den beiden Halbachsen 51 und den Ringen 54 vorzusehen. Darüberhinaus zeigt eine Achse aus Plastikmaterial eine hohe Korrosionswiderstandfähigkeit.
• Ein Rohrteil 57, das mit der Halbachse 51 koaxial ist, umringt den Rotor 10 und verbindet die beiden Flansche 55 untereinander. Ansätze 55-1, die auf den Flanschen 55 geformt sind, werden auf einem Kreis angeordnet und gestatten, das Rohrteil 57 bezüglich der Ringe 54 zu zentrieren und also auch im Bezug auf den Rotor 10. Das Rohrteil 57 wird aus einem Teil mit den Flanschen 55 gemacht, beispielsweise durch Einspannen bzw. Einpassen um die Ansätze 55-1 oder auch durch elektrisches Schweißen oder durch Laserschweißen an diese Ansätze. In den Rohrteil 57 sind die Polzahnreihen 59 eingeformt, die den beiden Zahnreihen entsprechen, die mit Bezug auf die Figur 1 beschrieben worden sind. Jedes Reihenpaar wird durch diskontinuierliches Ausschneiden im Zickzack des Rohrteils 57 gebildet, und zwar im Umfangssinne. Die diskontinuierlichen Zonen des Ausschnittes stellen den Zusammenhalt des Rohrteils sicher und sie sind beispielsweise auf der Höhe der Zahngipfel bzw. -spitzen gelegen. Wie dies dargestellt ist und in klassischer Weise, werden die Reihenpaare gegenüber einander gespreizt bzw. verschoben und zwar um eine viertel Teilung (Periode) der Zahnwiederholung bzw. Zahnteilung.
• Gemäß der Erfindung ist es nicht mehr nötig, Lager vorzusehen, wie die Kugelgelenke 32 der Figur 1, denn es ist leicht, eine gute Parallelität zwischen den äußeren Zonen des Rohrteils 57 zu verwirklichen, die die Parallelität zwischen den Flanschen 55 sicherstellen. Eine gute Ausrichtung der Ringe 54 ist auch leicht zu verwirklichen, denn die Flansche 55 sind integral aus einem Stück (57) von einfacher Struktur (Zylinder) dessen Geometrie leicht mit den derzeitigen Farbrikationstechniken zu beherrschen ist.
• Um das Rohrteil 57, auf der Höhe der Trennzone der Zahnreihenpaare ist eine ringförmige Scheibe 61 eingepaßt, die das Innere des Motors in zwei Wickel- bzw. Spulenzonen teilt. Ein Gürtel 62, der in Kontakt mit den Flanschen 55 und der Scheibe 61 tritt schließt den Motor schließlich. Andere Mittel zum Schließen des Motors können vorgesehen werden, wie beispielsweise zylindrische Wände, die durch Tiefziehen bzw. Gesenkformen eines oder beider Flansche 55 gebildet werden. Die Funktion des Motorstators wird durch die beiden Flansche 55, den Rohrteil 57, die ringförmige Scheibe 61 und den Gürtel 62 sichergestellt. Die Teile 55, 57, 61 und der Gürtel sind aus einem magnetischen Material. Das Fixierungsmittel des Gürtels kann gleich dem eines klassischen Motors sein, beispielsweise durch Schweißen.
• Die oben erwähnten Absätze bzw. Schultern 52 des Rotorteils 50 aus Plastikmaterial dienen dazu, den Rotor 10 axial zu positionieren und stützen sich jeweils auf den Flanschen 55 ab. Diese axiale Positionierung ist ausreichend, denn die Höhe des Rohrteils 57, die Entfernung, die die Flansche 55 trennt, kann mit genau verwirklicht werden. Man vermeidet den Einsatz von Scheiben (40), denn die Rolle der letzteren wird durch die Absätze 52 aus Plastikmaterial sichergestellt.
• Die Schnittdiskontinuitäten der Zähne 59, die den Zusammenhalt des Rohrteils 57 sicherstellen, bilden beim Betrieb des Motors magnetische sättigbare Kurzschlüsse, die einen Drehmomentverlust des Motors zur Folge haben.
• Auf jeden Fall erhält man, Dank dieser Verwirklichung der Zähne 59 durch diskontinuierlichen Schnitt, eine präzise Positionierung der Zähne 59 zueinander. Dies gestattet es, den Drehmomentverlust zu kompensieren, und zwar durch Verwirklichen der Zähne, die eine größere Oberfläche einnehmen, was in einem klassischen Motor nicht möglich ist, oder es ist nötig, ein ausreichendes Spiel um die Zähne herum vorzusehen um Positionsfehler auszugleichen. Die bessere Positionierungspräzision der Zähne 59 zieht auch eine vorteilhafte Verringerung des Widerstandsmomentes nach sich wenn der Motor nicht versorgt bzw. erregt ist.
• Darüberhinaus gestatten die magnetischen Kurzschlüsse, eine wirtschaftliche Positionserkennung des Motor zu verwirklichen, und zwar Dank eines Detektionsstromkreises, wie beispielsweise der, der in der europäischen Patentanmeldung 0.420.501 beschrieben ist, der die Statorsättigung als Funktion der Rotorposition ausnützt. Die magnetischen Kurzschlüsse sättigen sich nämlich mehr oder weniger gemäß der Position des Magnetes 14 in Bezug auf die Zähne 59 und ziehen eine Veränderung der Spulen- bzw. Wicklungsinduktion nach sich, die dann detektiert werden kann. Diese schnelle Sättigung ist im übrigen kein Nachteil.
• Die Spulen bzw. Wicklungen 63 sind direkt um den Rohrteil 57 zwischen den Flanschen 55 und der ringförmigen Scheibe 61 gewickelt. Vorzugsweise ist der Wicklungsdraht ein umhüllter Draht von geringem Durchmesser und kann also direkt als Versorgungskabel des Motors dienen ohne das es nötig ist, Kabelschuhe bzw. Anschlüsse 27 und zusätzliche umhüllte Kabel 28 vorzusehen, und eine Umspritzung bzw. Umformung aus Harz vorzusehen. Die Volumenzunahme der Spulen bzw. Wicklungen, die durch die Beschichtung der Drähte verursacht bzw. ermöglicht wurde wird kompensiert durch den Volumengewinn, der mit der Abwesenheit der Käfige 24 und des Umformungsharzes verbunden ist.
• Die Ringe 54 und die Ansätze 55-1 können in einem einzigen Tiefzieh- und/oder Gesenkformvorgang der Flansche 55 verwirklicht werden. Wenn eine Motorfixierungsscheibe nötig ist, wird einer der Flansche 55 für diese Funktion vorgesehen sein, beispielsweise dadurch, daß man ihn in einem größeren Durchmesser als der des Motors verwirklicht, und ihn mit Umfangslöchern versieht. Die Zentrierfunktion des ringförmigen Vorsprungs 30-3 der Figur 1 kann durch den kreisförmigen Rand eines der Flansche 55 verwirklicht werden, denn der Rand kann leicht koaxial zum Ring 54 verwirklicht werden. Wenn man den Motor mit einem Zahnrad versehen will, kann dies direkt auf einer der Halbachsen 51 verwirklicht werden, und zwar während eines gleichen Spritzvorganges. Die Halbachsen 51 können mit jeder anderen formbaren bzw. spritzbaren Form versehen sein, wie beispielsweise eine Abflachung bzw. Fläche, eine Exzentrizität, ein Gewinde, eine Rändelung, usw. Weil diese Formen aus einem Teil der Achse sind, eliminiert man die Probleme der Rotationsverhinderung dieser Formen, die sich darstellt, wenn man beispielsweise Zahnräder aus Plastikmaterial verwendet, die auf die Achse aufgepaßt bzw. -gesteckt sind.
• Der Rohrteil 57 kann ursprünglich eine flache Platte sein, in die man die Zähne 59 gemäß der klassischen Vorgehensweisen einschneidet, wobei diese Platte danach eingerollt wird und in der eingerollten Position Dank der ringförmigen Scheibe 61 gehalten wird. Selbstverständlich kann man direkt die Zähne 59 in ein Rohr einschneiden.
• Man kann ein Loch vorsehen, das axial den Rotor 10 und die Halbachsen 51 durchquert, was gestattet, daß der Motor gemäß der Erfindung vor seinem Verschluß durch den Gürtel 62 auf einer klassischen Wickelbank montiert werden kann um die Wicklungen bzw. Spulen 63 zu verwirklichen, und zwar unter Verwendung einer sehr einfachen Spezialmontageausrüstung.

Claims (5)

1. Schrittmotor der folgendes aufweist:

Einen Rotor (10) mit einer Achse (51) und am Umfang mit einem Permanetenmagneten (14) , der gemäß der mehrfachen Axialstirnseiten mit abwechselnder Polarität magnetisiert ist;

einen Stator, mit zwei Paaren von Polzahnreihen (59), die den Rotor umgeben, wobei die jeweiligen Zähne der Reihen eines Paares axial in Eingriff stehen;

zumindest eine Spule bzw. Wicklung (63), die zur Achse koaxial ist und einem jeden Zahnreihenpaar zugeordnet bzw. assoziiert ist; und

zwei Radialflansche (55), die auf beiden Seiten des Rotors angeordnet sind, und zwar beide versehen mit einer zentralen Zone (54), die in Form eines Ringes zurückgebogen ist, um als Lager für die Achse zu dienen; dadurch gekennzeichnet, daß

der Rotor einen Rotorteil (50) aus Plastikmaterial aufweist, der die Achse (51) bildet und den Magneten

wobei die Polzähne Teil eines gleichen Rohrteils (57) sind, wobei der Zusammenhalt des Rohrteils durch verjüngte bzw. dünne Zonen desselben sichergestellt wird, die die Zahnreihen einen jeden Paares untereinander verbinden;

eine ringförmige Scheibe (61), die aus einem Teil mit den Rohrteil (57) ist, und um dasselbe herum angeordnet ist, und zwar auf der Höhe der Schnittstelle zwischen den beiden Zahnreihenpaaren (59), und die mit den Flanschen (55) zwei Zonen bildet, die dazu bestimmt sind, jeweils zumindest eine Spule bzw. Wicklung (63) aufzunehmen; und wobei

die Spulen aus einem isolierten Draht gebildet sind, der direkt um den Rohrteil (57) gewickelt ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche (55) Zentrieransätze (55-1) des Rohrteus (57) aufweisen, wobei diese Ansätze genauso wie der Ring (54) als Lager dienen, wobei die Ansätze ausgehend von einem gleichen flachen Teil durch Tiefziehen und/oder Gesenkformen erhalten werden.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrteil (57) aus einem flachen Blech gebildet ist, in das die Zahnreihen (59) vorausgeschnitten sind.

4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Ende der Achse (51) eine spezielle Form aufweist, die durch den gleichen Form- bzw. Gießvorgang des Rotors (10) und der Achse erhalten wird.

5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (51) mit einem axial durchgehenden Loch versehen ist.