DE69407081T2

DE69407081T2 - Schrittmotor

Info

Publication number: DE69407081T2
Application number: DE69407081T
Authority: DE
Inventors: James Edward Marshall
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2014-03-29
Also published as: EP0619641B1; EP0619641A1; DE69407081D1; JPH06327192A; US5289065A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schrittschaltmotore und besonders auf Schrittschaltmotore mit einem Umlaufgetriebe.
Schrittschaltmotore oder Drehkraftwandler werden in einer grossen Vielzahl von Produkten benutzt, wenn es erforderlich ist, die Rotationsleistung und die Rotationsstellung einer Achse oder einer anderen Vorrichtung zu lenken.
Ein Beispiel fur einen Schrittschaltmotor des früheren Fachwissens oder für einen wahlweise einsetzbaren Drehkraftwandler wird in dem an Grundland erteilten U.S.-Patent 4 358 694 erörtert. Der von Grundland erwähnte Schrittschaltmotor handelt von einem Zahnkranz, der mindestens ein Dauermagnet und einen Rotor enthält, der rotativ im Verhältnis zum Zahnkranz beweglich ist. Eine ungerade Anzahl von Polen werden an den Rotor geliefert, um selektiv Magnetkraft zu liefern, damit eine relative Rotation zwischen ihnen hervorgerufen wird. Der Magnet hat eine genau bearbeitete innere Verschleissoberfläche, die gegen die äussere Oberfläche des feststehenden Stators rotiert wird. Teflon oder Öl können benutzt werden, um die Reibung zwischen dem Magneten und dem Stator zu reduzieren, aber sie sollen nicht mit dem Vorhandensein eines Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor interferieren.
Andere Versuche hinsichtlich der Herstellung von Schrittschaltmotoren beinhalten die Verwendung von Dauermagneten oder von seltenen Massewerkstoffen. Derartige Werkstoffe für die Konstruktion von Schrittschaltmotoren erfordern zusätzliche Kosten.
Schrittschaltmotore des früheren Fachwissens weisen beachtliche Abmessungen und begrenzte Leistungsabgabe auf.
Aus irgendeinem Luftspalt zwischen den entgegengesetzten Polen im magnetischen Schaltkreis ergibt sich eine Reduzierung des Halte- Drehmoments des Motors. Die Anziehungskraft zwischen gegenüberliegenden Polen wird wesentlich wegen des Vorhandenseins eines Luftspalts im magnetischen Schaltkreis reduziert.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Schrittschaltmotor geliefert, bestehend aus:
einem Statorgetriebe mit einer Vielzahl von ferromagnetischen, nicht permanent magnetischen Zähnen, mit niedrigem magnetischen Widerstand, die Polteilgruppen bilden, die in wechselnden Mustern angeordnet sind;
einer Vorrichtung zur unabhängigen Induktion von magnetischem Kraftiluss in jede der besagten Poltellgruppen;
einer Vorrichtung zur Reduzierung des Streuflusses zwischen benachbarten Zähnen auf ein Minimum;
einem Rotor, der mindestens ein Ritzelgetriebe enthält, das Getriebezähne hat, die in die Zähne des Statorgetriebes einrasten, so dass kein Luftspalt zwischen den Polteilen des besagten Statorgetriebes und den benachbarten Zähnen des besagten Rotor-Ritzelgetriebes, das damit eingerastet ist, auftritt; und
einer Vorrichtung zur Lenkung entgegengestzter elektromagnetischer Ladungen, die an die besagten Polteilgruppen geliefert werden, die die Zähne des Statorgetriebes bilden, wobei die besagte Lenkvorrichtung sequenzweise die Polarität der elektromagnetischen, an die besagte Polteilgruppe gelieferten Last in einer gewünschten Richtung verändert, um zu verursachen, dass sich der Rotor in die besagte Richtung bewegt und wobei der Rotor an seinem Platz gehalten wird, indem die Polarität der elektromagnetischen, an die besagte Polteilgruppe gelieferten Last bestimmtwird.
Ein nach der Erfindung ausgelegter Schrittschaltmotor hat einen Null- Luftspalt zwischen Polteilen eines Stators und eines Rotors, der durch eine Anderung der polaren Zustände der Getriebezahngruppen, die den Stator bilden, bewegt wird. Es wird ein Schrittschaltmotor mit einem Null-Luftspalt geliefert, der den Halte-Drehmoment des Schrittschaltmotors auf ein Maximum bringt.
Die Zahne des Statorzahnrads sind in einem Wechselinuster angelegt. Drei Spulen sind den drei Zahngruppen, die den Zahnkranz bilden, zugeteilt, so dass die Lenkvorrichtung die drei Zahngruppen, die den Zahnkranz bilden, bestimmen kann, indem elektromagnetische Ladungen unabhängig an jede Spule geliefert werden.
In einer bevorzugten Auslegung der Erfindung entlialt der Rotor drei Getriebe, die den Stator-Zahnkranz an in gleichmässigem Abstand liegenden Stellen berühren, um die entsprechenden Getriebezähne der gleichen Gruppe, die die gleiche Polarität hat, zu berühren. Die drei Ritzelzahnräder sind mit einem Träger verbunden, der eine Ausgangswelle rotiert.
Der Schrittschaltmotor kann für Steuerventile und Rückführ- Steuersysteme, wie zum Beispiel Kraftfahrzeug-Dauersteuersysteme benutzt werden. Eine andere Verwendungsmöglichkeit von Schrittschaltmotoren nach der vorliegenden Erfindung wäre für Instrumentensysteme, wie zum Beispiel Geschwindigkeitsmesser, Drehzahlmesser und ferngesteuerte Radiotuner, in denen eine Digitaleingabe direkt in eine Abgabe in der Form von Analog-Anzeige- Messapparaten umgewandelt wird. Die Benutzung des Schrittschaltmotors nach der vorliegenden Erfindung als Kilometerzähler bietet den Vorteil einen Getriebeantrieb überflüssig zu machen, um die Übertragung mit dem Geschwindigkeitsmesser und dem Kilometerzähler zu verbinden
Die nach der vorliegenden Erfindung ausgelegten Schrittschaltmotore haben verhältnismässig geringe Abmessungen im Vergleich zum Drehmoment, der wegen des Nichtvorhandenseins des Luftspalts verfügbar ist.
Die Erfindung wird jetzt als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, von denen:
Figur 1 eine teilweise fragmentierte Draufsicht eines Schrittschaltmotors ist, der nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
Figur 2 ein querschnitt ist, der an der Linie 2-2 auf Figur 1 entlang gemacht wurde;
Figur 3 ein Perspektivplan eines Zahns ist, der einen Polteil und einen Teil eines Statorgetriebes nach der vorliegenden Erfindung bildet;
Figur 4 ein Perspektivplan eines Zahns ist, der einen Polteil und einen Teil eines Statorgetriebes nach der vorliegenden Erfindung bildet;
Figur 5 ein Perspektivplan eines Zahns ist, der einen Polteil und einen Teil eines Statorgetriebes nach der vorliegenden Erfindung bildet;
Figur 6 ein querschnitt ist, der an der Linie 6-6 in Figur 1 entlang gemacht wurde;
Figur 7 eine Fragment-Draufsicht ist, die ein Statorgetriebe und ein Ritzelzahnrad nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Figur 8 eine Fragment-Draufsicht ist, die einen Abschnitt eines Statorrings und eines Ritzelzahnrads nach der vorliegenden Erfindung darstellt;
Figur 9 eine Fragment-Seiten-Aufrisszeichnung einer linearen Stellgerät-Zahnstange und einer Ritzelzahnradgruppe nach der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 10 ein Perspektivplan ist, der einen Statorgetriebe-Zahn für einen Motor nach einer anderen Auslegung der vorliegenden Erfindung darstellt;
Figur 11 ein Diagramm ist, das potentielle Zustände für einen Zahnkranzstator darstellt, der drei Gruppen oder Pole hat, die unabhängig polarisiert sind.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 werden ein Schrittschaltmotor 10 und ein Zahnkranz 12 dargestellt, die den Stator des Schrittschaltmotors 10 bilden. Der Zahnkranz 12 hat eine Vielzahl von Zähnen 14, die in zwei oder mehr Gruppen, vorzugsweise in drei Gruppen angeordnet sind. Jede Zahngruppe 14 wird jederzeit den gleichen induzierten Magnetfeldern ausgesetzt. Ein Rotor 16 wird geliefert, um sich im Verhältnis zum Zahnkranz 12 zu bewegen. Der Rotor 16 enthält ein oder mehrere Ritzelzahnräder 18 und vorzugsweise drei Ritzelzahnräder, wie es auf Figur 1 dargestellt wird. Die Ritzelzahnräder 18 werden von einem Träger 20 gehalten. Die Ritzelzahnräder 18 und der Träger 20 rotieren als eine Einheit im Verhältnis zum Zahnkranz 12. Da die Ritzelzahnräder 18 und der Träger 20 rotieren, wird bei der Welle 22 eine Rotationsleistung erzeugt. Der Schrittschaltmotor befindet sich vorzugsweise in einem Gehäuse 24.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 2 und 6 wird die Struktur des Schrittschaltmotors 10 ausführlicher erklärt. Die erste Spule 28, die zweite Spule 30 und die dritte Spule 32 sind Toroidspulen, die sich in der Nähe einer Achsenseite des Zahnkranzes 12 befinden. Die erste, zweite und dritte Spule 28, 30, 32, ist jeweils getrennt drei getrennten Zahngruppen des Zahnkranzes 12 zugeordnet
Unter Bezugnahme auf die Figuren 3, 4 und 5 werden die Zähne 14 ausführlicher dargestellt. Jeder dieser Zähne enthält einen unteren Teil 36, der so ausgelegt ist, dass er bei einem unteren Teil 36 eines benachbarten Zahns 14 liegt. Jeder Zahn enthält einen oberen Steg 38, einen Bodensteg 40 und erste und zweite Seiten 42 und 44. Auf Figur 3 wird ein erster Stift 46 dargestellt, der so ausgelegt ist, dass er die erste Spule 28 zur elektromagnetischen Induktion berührt. Der zweite Stift 48 wird auf Figur 4 dargestellt und er ist ausgelegt, um die Spule 30 zu berühren. Der dritte Stift 50 wird auf Figur 5 dargestellt und er ist ausgelegt, um die dritte Spule 32 für eine elektromagnetische Induktion zu berühren.
Unter Bezugnahme auf Figur 6 wird ein Luftspalt 52 zwischen benachbarten Zähnen 14 geliefert. Der Luftspalt 52 zwischen den benachbarten Zähnen 14 kann durch ein isolierendes Abstandsstück 54 zwischen den Zähnen erhalten werden. Das Abstandsstück 54 wird auf gegenüberliegenden Seiten durch die Seitenwand 56 und von einem der Zähne 14 und der Seitenwand 58 eines anderen Zahns 14 berührt. Der Luftspalt 52 funktioniert, um den Streufluss zwischen den benachbarten Zähnen 14 auf ein Minimum zu reduzieren. Auf Figur 6 werden ebenfalls Verbindungen zwischen der ersten, zweiten und dritten Spule 28, 30 und 32 und dem ersten, zweiten und dritten Stift 46, 48 und 50 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 7 und 8 wird die Weise, auf die die Ritzelzahnräder 18 die Zähne 14 berühren, ausführlicher dargestellt. Die Ritzelzahnräder 18 sind herkömmlicher Bauart und enthalten obere Stege 60 , Bodenstege 62 und erste und zweite Seiten 66 und 64. Wie es auf Figur 7 dargestellt wird, wird das Ritzelzahnrad 18 in einer Gleichgewichtsstellung gezeigt, in der die erste Seite 66 des Ritzelzahnrads 18 in die erste Seite 42 eines der Zähne 14 einrastet, während die zweite Seite 64 des Ritzelzahnrads 18 eine zweite Seite 44 eines anderen der Zähne 14 berührt. Die Zähne sind, wie es auf den Figuren 6 und 7 dargestellt wird, polarisiert, wobei ein Muster der ersten Spule 28 neutral ist, wobei die zweite Spule 32 eine Südpolladung und die dritte Spule 30 eine Nordpolladung hat. Durch eine Änderung der magnetischen Orientation der Spulen kann das Ritzelzahnrad 18 veranlasst werden sich eine halbe Stufe zu der auf Figur 8 dargestellten Stellung zu verschieben, wo die erste Spule 28 eine Nordpol-Orientation, die zweite Spule 32 eine Nordpol-Orientation und die dritte Spule 30 eine Südpol-Orientation hat. In diesem Fall wird das Ritzelzähnrad 18 Gleichgewicht suchen wo das Ritzelzahnrad über dem der der dritten Spule mit der Südpol-Orientation zugewiesen ist. Das Ritzelzahnrad 18 gewährleistet Gleichgewicht über dem Zahn mit der Südpol-Orientation.
Die Zähne und der Rotor sind vorzugsweise aus einem ferromagnetischen, nicht permanent magnetischen Werkstoff mit niedrigem magnetischem Widerstand. Zum Beispiel eine hohe Nickel Stahl-Legierung oder ein amorpher Silikon-Werkstoff können zur Herstellung der Zähne des Rotors oder des Stators benutzt werden. Es ist erforderlich, den restlichen Magnetismus auf ein Minimum zu reduzieren, so dass der Schrittschaltmotor schnell anspricht. Wie oben erwähnt, besteht einer der Vorteile der Erfindung darin, dass kein permanent magntischer Werkstoff oder die Benutzung von seltenem Massewerkstoff im Schrittschaltmotor erforderlich ist.
Wie es auf Figur 1 dargestellt wird, liefert die am meisten bevorzugte Auslegung einen Träger 20 mit drei Rizelzahnrädem 18. Vorzugsweise würden drei Gruppen von Zähnen 14 vom Zahnkranz 12 geliefert und in einem Beispiel können 30 Zähne in drei Gruppen zu je 10 Zähnen geliefert werden. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Zähnen, die der Anzahl der Spulen entspricht, werden die Ritzelzahnräder 18 gleichzeitig die entsprechenden Zähne der gleichen Gruppen berühren. Durch die Verwendung von drei Ritzelzahnrädern 18 wird ein stabiler Drehmechanismus im Schrittschaltmotor geliefert.
Unter Bezugnahme auf Figur 9 wird ein lineares Stellgerät 74 geliefert, das aus einer Vielzahl von Zähnen 76 besteht. Die Zähne werden in drei Gruppen von Zähnen aufgeteilt, die separat polarisiert sind, um ein Ritzelzahnrad 78 zu bewegen. Das lineare Stellgerät 74 funktioniert im allgemeinen auf die gleiche Weise wie der Schrittschaltmotor 10, aber es liefert eine lineare Leistung, anstatt einer rein rotativen Leistung.
Unter Bezugnahme auf Figur 10 wird eine alternative Auslegung der Zähne 80 für die Verwendung im Schrittschaltmotor 10 oder dem linearen Stellgerät 74 dargestellt, wo eine separate Spule 82 für jeden der Zähne 80 geliefert wird. Auf diese Weise kann eine Serie Zähne 80 geliefert und an eine elektromagnetische Kraftquelle angeschlossen werden, die ermöglichen würde, dass Gruppen von Spulen 82 gleichzeitig mit Energie versehen würden.
Unter Bezugnahme auf Figur 11 wird ein Diagramm gezeigt, wo eine Dreispulen-Auslegung der Erfindung mit drei Ritzelzahnrädern auf einem Träger arbeitet. In einem Beispiel kann ein Getriebestator mit dreissig Zähnen sechzig Schrittstellungen haben, die in sechs Grad- Schritten ausgelegt sind, indem 12 Zustände mit korrekten Sequenzen verwendet werden, wie es auf Figur 11 dargestellt wird. Wie es auf Figur 11 gezeigt wird, ist die erste, zweite und dritte Spule in einer der drei Bedingungen, Norden (durch "N" gekennzeichnet), Süden (durch "S" gekennzeichnet) oder neutral (durch einen Bindestrich "-" gekennzeichnet). Wenn alle Spulen erregt sind, wird der Rotor eine Stellung einnehmen, die über einem der Zähne zentriert ist. Wenn zwei Spulen erregt sind, wird der Rotor eine Stellung mit einem Zahn des Rotors einnehmen, der zwischen dem Nord- und dem Südpol liegt. Dadurch wird ein Gleichgewicht von einem halben Zahn-Teilkreis von der vorigen Bedingung geliefert.
Um eine nützliche Rotationsleistung zu liefern, ist der Rotor vorzugsweise ein mit Verhältnissen eingestelltes Planetengetriebe, das für einen gewünschten Leistungswinkel pro Schritt ausgewählt wurde. Zum Beispiel ein Zahnkranz mit dreissig Zähnen würde einen Teilkreisdurchmesser von 4,762 cm (1.875 inches) haben. Der Rotor kann ein Ritzelzahnrad mit zwölf Zähnen mit einem Teilkreisdurchmesser von 0,19 cm (0.075 inches) sein. Das würde einen Teilkreis von sechzehn liefern. Ein Leistungsantriebs-Sonnenrad mit zwanzig Zähnen kann zusammen mit einem Ritzelzahnrad mit vierzig Zähnen oder einem Teilkreisdurchmesser von 0,4375 geliefert werden. Mit einem Sonnenrad mit zwanzig Zähnen und einem Teilkreisdurchmesser von 0,625 kann eine zweiunddreissig Teilkreisleistung geliefert werden.
Ein Schrittschaltmotor mit einem magnetischen Schaltkreis in dem Luftspalte auf ein Minimum reduziert werden, wird geliefert, ohne eine sehr genaue Herstellungsgenauigkeit zu erfordern.

Claims

1. Ein Schrittschaltmotor bestehend aus:

einem Statorgetriebe (12) mit einer Vielzahl von ferromagnetischen, nicht permanent magnetischen Zähnen (14) mit niedrigem magnetischem Widerstand, der Polteilgruppen bildet, die in einem Wechselmuster angeordnet sind,

einer Vorrichtung (28, 30, 32) zur unabhängigen Induktion des magnetischen Flusses in jeder der besagten Gruppen der Polteile, einer Vorrichtung (52, 54) um den Streufluss zwischen benachbarten Zähnen auf ein Minimum zu reduzieren;

einem Rotor (16) der mindestens ein Ritzelzahnrad enthält, mit Getriebezähnen, die in die Zähne des Statorgetriebes einrasten, so dass kein Luftspalt zwischen den Polteilen des besagten Statorgetriebes und den benachbarten Zähnen des besagten Rotor-Zahnkranzes, das darin eingerastet ist, besteht; und

einer Vorrichtung zur Lenkung entgegengesetzter elektromagnetischer Ladungen, die an die besagten Polteilgruppen, die Zähne des Statorgetriebes bilden, geliefert werden, wobei die besagte Lenkvorrichtung sequenzweise die Polarität der elektromagnetischen Ladung, die an die besagten Polteugruppen geliefert wird, in einer gewünschten Richtung verändert, um den Rotor zu einer Bewegung in der besagten Richtung zu veranlassen und den Rotor auf seinem Platz zu halten, indem die Polarität der elektromagnetischen Ladung, die an die besagten Polteilgruppen geliefert wird, festgelegt wird.

2. Ein Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, in dem das besagte Statorgetriebe (12) ein Zahnkranz ist, der von einer Vielzahl von Getriebezahn-Gruppen (14) gebildet wird, die ineinander passen, um das besagte Statorgetriebe (12) zu bilden, wobei die besagten Getriebezähn-Gruppen (14) in Wechselmustern angelegt sind.

3. Ein Schrittschaltmotor nach Anspruch 2, in dem die besagte Vorrichtung zur Induktion des magnetischen Flusses drei Toroidspulen (28, 30, 32) enthält, wo jede der besagten Spulen mit einer der besagten Getriebezahn-Gruppen verbunden ist.

4. Ein Schrittschaltmotor nach Anspruch 2, in dem die besagte Vorrichtung, die den Streufluss zwischen den benachbarten Zähnen auf ein Minimum reduzieren soll, eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Isolierabstandsstücken (54) enthält.

5. Ein Schrittschaltmotor nach Ansspruch 1, in dem das besagte Statorgetriebe ein Zalinstangengetriebe (76) und der besagte Rotor ein Ritzelzahhrad (78) ist.

6. Ein Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, in dem die besagte Vorrichtung zur Induktion des magentischen Flusses eine Vielzahl von Spulen (28, 30, 32) ist, die mit einem der besagten Zähne des Statorgetriebes (12) verbunden sind, wobei die besagten Spulen elektrisch an die besagte Vorrichtung zur Lenkung entgegengesetzter elektromagnetischer Ladungen angeschlossen sind.

7. Ein Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, in dem drei Ritzelzahnräder (18) von einem Träger (20) getragen werden, die an drei auseinanderliegenden Stellen in den Stator (12) einrasten und gleichzeitig in die entsprechenden Polteilgruppen einrasten.

8. Ein Schrittschaltmotor nach Anspruch 1, in dem die besagte Vorrichtung zur Lenkung entgegengesetzter elektromagnetischer Ladungen eine Vorrichtung beinhaltet, um sequenzweise Nord-, Südund neutrale Ladungen an Polteligruppen zu liefern.