DE1788154B2 - Linearer Stellmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen linearen Stellmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher ¹^ wird insbesondere für Aufzeichnungsgeräte oder Kurvenschreiber benutzt. Dabei besteht der Ständer eines solchen Motors aus einer gezahnten Platte, auf die ein Bogen Papier oder dergleichen gelegt wird; der sich über dieser Platte bewegende Läufer enthält einen μ Schreibstift, mit dem das Papier beschriftet werden kann, und bewegt sich entsprechend von an den Läufer gelegten Steuerspannungen.

Stellmotoren, die sich linear in einer vorgegebenen Richtung bewegen, sind aus der US-PS 32 65 911 <» bekannt und weisen mechanische Zwangsführungen auf, die verhindern, daß der bewegliche Teil sich aus der vorgegebenen Richtung verdreht. Bei Aufzeichnungsgeräten oder Kurvenschreibern sind mechanische Zwangsführungen unbrauchbar, weil sich der Läufer gerade frei und beliebig über die Ständerplatte bewegen solL Andererseits werden hohe Läufergeschwindigkeiten und insbesondere auch hohe Läuferbeschleunigungen gefordert, so daß dadurch und beim Fehlen von Zwangsführungen die Gefahr einer Verdrehung des Läufers besonders groß ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen linearen Stellmotor anzugeben, bei dem ohne mechanische Führungsmittel eine drehungsfreie Bewegung des Läufers auf einer ebenen Grundplatte längs einer festgelegten Achsrichtung gewährleistet ist Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Dabei hat der erfindungsgemäße Motor den großen Vorteil, daß sein Läufer mit großer Geschwindigkeit und hohen Beschleunigungen verfahren werden kann und daß große Genauigkeit und ein hohes Auflösungsvermögen insbesondere dann erreichbar sind, wenn die Steuerspannungen mit Hilfe bekannter digitaler Techniken erzeugt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Figuren näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 Ansicht von unten eines Läufers mit 2 Polreihen,

F i g. 2 und 3 Schnitte durch die beiden Polreihen, F i g. 4 Schaltbild zu Läuferspeisung.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, enthält der Läufer 11 zwei elekiromagnetische Polreihen 27 und 29, die einander parallel und in der Richtung angeordnet sind, in der der Läufer bewegt werden soll. Die gezahnten Polschuhe 32 (Fig.2 und 3) sind bündig in die Grundplatte 31 des Läufers eingelassen. In einem Schlauch 47 werden die zu den Eiektromagneten A, B, C bzw. A', B', C führenden Erregerleitungen zusammengefaßt, gleichzeitig ist in 47 eine Druckluftleitung untergebracht. Die Druckluft strömt durch die Löcher 49 in der Grundplatte 31 aus, so daß der Läufer 11 in geringem Abstand frei schwebend über der Ständerplatte 10 (F i g. 2 und 3) gehalten wird. Die einzelnen Löcher 49 sind untereinander durch ein Röhrensystem 50 verbunden. Der nichtgezeichnete Schreibstift ist an einem Arm 57 befestigt.

Nach F i g. 2 und 3 besteht jeder Pol A, B, Q A', B', C aus einem Eisenkern 33 mit einer darauf befindlichen Wicklung 34. Die Kerne sind oberhalb der Wicklungen durch ein nicht gezeichnetes Joch aus magnetischem Material verbunden und münden unterhalb der Wicklungen in Polschuhe 32, deren dem Ständer 10 zugekehrte Oberfläche gezahnt ist. Auch in die weichmagnetische Platte 14 des Ständers 10 sind Nuten 15 eingelassen, die ebenso wie die Nuten der Polschuhe mit Kunststoff oder einem anderen unmagnetischen Material ausgefüllt sein können. Alle Nuten 15 und alle Zähne 16 in Ständer und Läufer sind gleich breit. Beispielsweise sind Nut- und Zahnbreiten von 0,762 mm typisch.

Zur Funktion des Motors wird auf Fig.2 und 3 verwiesen, in denen Querschnitte durch die Polreihen 27 und 29 dargestellt sind, und zwar in einem Augenblick, in dem die Pole flund B' erregt sind, weil deren Zähne den Ständerzähnen gerade gegenüberstehen. Werden nun statt der Pole B und B' die Pole C und C" erregt, so verschiebt sich der Läufer nach rechts, bis wieder die Zähne von C und C den Zähnen des Ständers gegenüberstehen. In dieser Stellung müssen die Pole A und A' relativ zum Ständer eine Lage einnehmen, so daß bei der nachfolgenden Erregung von A und A' der

Läufer sich weiterhin nach rechts bewegt. Dies gelingt ersichtlich nur, wenn sich der Läufer bei jeder Polumschaltung um das Stück ρ/Φ bewegt, wobei ρ die Zahnteilung und Φ die Anzahl der Po'e je Polreihe bedeutet. Im gezeichneten Fall der F i g. 2 und 3 und mit den Nut- und Zahnbreiten von je 0,762 mm ist also ρ = 1,524 mm und Φ = 3, so daß sich bei jeder Polumschaltung ein Weg von 1,524/3 = 0,508 mm ergibt Entsprechend müssen dann natürlich die Zähne benachbarter Pole jeweils immer um ein ganzzahliges Vielfaches der Zahnteilung, vermehrt oder vermindert um den Quotienten aus Zahnteilung und Anzahl der Pole je Polreihe, nämlich um ρ /Φ, verschoben sein.

Die Anbringung zweier Polreihen für eine Bewegungsrichtung entsprechend F i g. 1 ist ein wirksamer Schutz gegen das Verdrehen des Läufers um eine auf der Ständerplatte senkrechte Achse. Beispielsweise könnten dabei mit den Bezeichnungen der F i g. 1 die Pole A und C, Bund B', Cund A'immer gleichzeitig erregt werden. In diesem Fall muß die Verschiebung der Zähne benachbarter Pole in beiden Polreihen gleichermaßen ein ganzzahliges Vielfaches von p, vermehrt oder vermindert um ρ ΙΦ betragen. Nach einem besonderen Erfindungsgedanken wird ein noch wirksamerer Schutz gegen Verdrehung des Läufers erreicht, wenn die gleichzeitige Erregung der Pole je Polreihe gegenläufig erfolgt, also wenn A und A', B und B', C und C gleichzeitig erregt werden. In diesem Fall muß die Verschiebung der Zähne benachbarter Pole in einer Polreihe ein ganzzahliges Vielfaches von p, vermehrt ρ/Φ, und in der anderen Polreihe ein ganzzahüges Vielfaches von p, vermindert um ρ /Φ. betragen. Bei dieser gegenläufigen Erregung der Pole jeder Polreihe werden auch gleichzeitig diejenigen Drehmomente auf ein Mindestmaß reduziert, die wegen der Anziehungskräfte zwischen Ständer und Läufer um eine Achse parallel zur Ständerebenc auftreten und zu einem »Nicken« des L?ufers führen können.

Bei den eingangs erwähnten Aufzeichnungsgeräten wird eine möglichst genaue Positionierung des Schreibstifts oder mit anderen Worten: ein möglichst großes Auflösungsvermögen gefordert. Wie bereits beschrieben, hat das Auflösungsvermögen den Wert ρΦ, wenn von Pol zu Pol jeder Polreihe umgeschaltet wird. Ohne jede Änderung läßt sich das Auflösungsvermögen verdoppeln, wenn nicht von Pol zu Pol, sondern durch zwischenzeitliches ParalleLschalten zweier Pole sozusagen von Halbpol zu Halbpol umgeschaltet, wenn also folgende Sequenz befolgt wird: A, A + B. B, B + C C.

ίο C + A, A usw. Eine weitere Verbesserung des Auflösungsvermögens wird durch Vergrößerung der Polzahl je Polreihe erreicht. Hier stellen 5 Pole A. B. C, D. E je Polreihe einen guten Kompromiß zwischen erzielbarer Genauigkeit und Aufwand dar, und es ergibt

is sich ein hohes Auflösungsvermögen bei besonders gleichmäßig über den Läufer verteilten Anziehungskräften, wenn dabei folgende Schaltsequenz der Pole einer Polreihe eingehalten wird: A + B, A + B+CB+C B+C+D.C+D.C+D+ZD+ZD+E+A, E + A, E + A + B, A + B usw. Bei der bereits erwähnten Zahnteilung von 1,524 mm ergibt sich also eine Auflösung von 0,1524 mm.

Werden die Wicklungen 34 der gleichzeitig erregten Pole in den beiden Polreihen in Reihe geschaltet, so

>ί werden dadurch nicht nur automatisch immer gleich große Kräfte in den beiden Polreihen erzeugt, sondern der Motor läßt sich auch in einfachster Weise beispielsweise von einem Ringzähler ansteuern und ist damit in der Lage, digital eingegebene Programme

μ auszuführen. Dies ist für den einfachen Fall eines dreipoligen Motors nach Fig. 1 in Fig.4 schematisch dargestellt: Die Reihenschaltung der Pole A und A', B und B', C und C wird je aus einem Verstärker 41, 41 bzw. 43 gespeist, und die Verstärker werden zyklisch

η von einem Ringzähler 40 angesteuert. Jeder impuls, der auf den Eingang + X des Ringzählers gegeben wird, steuert die Verstärker in der Reihenfolge A, B. C an, während jeder Impuls, der auf den Eingang — X des Ringzählers gegeben wird, die Verstärker in der Reihenfolge C, B, A ansteuert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Linearer Steilmotor, bei dem ein Läufer mit 2 parallelen Reihen von elektromagnetischen Polen mit gezahnten Polschuhen einer gezahnten Ständerplatte aus magnetischem Material gegenüberliegt, wobei die Zahnbreiten und Nutbreiten auf Polschuhen und Ständerplatte gleich sind und wobei die Zähne im Polschuh eines Pols gegenüber den Zähnen in den Polschuhen der benachbarten Pole einer jeden Polreihe um ein ganzzahliges Vielfaches der Zahnteilung, vermehrt oder vermindert um den Quotienten aus Zahnteilung und Polzahl je Polreihe, verschoben sind, dadurch gekennzeichnet, t5 daß jede Polreihe (27,29) aus mindestens 3 Polen (A,

B, Cbzw. A'. B', C)besteht,daBbeide Polreihen (27, 29) zu jedem Zeitpunkt mindestens je einen erregten Pol aufweist und daß die Umschaltung der Erregung von mindestens einem Pol auf mindestens einen anderen Pol gleichzeitig für beide Polreihen erfolgt

2. Linearer Stellmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge, in der die Erregung von einem Pol zum nächsten der einen Polreihe (27) durchgeschaltet wird, gegenläufig zur Reihenfolge ist, in der die Erregung von einem Pol zum nächsten der anderen Polreihe (29) durchgeschaltet wird.

3. Linearer Stellmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Erregung w zyklisch abwechselnd zwischen einem Pol und zwei parallel geschalteten Polen erfolgt (A, A + B, B, B + QGGC+A, A usw. bzw. A', A' + B'. B', B'+C'.C'.C' + A'.A'usw.y.

4. Linearer Stellmotor mit 5 elektromagnetischen Polen je Polreihe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Erregung zyklisch abwechselnd zwischen zwei und drei parallel geschalteten Polen erfolgt (A + B, A + B+ C, B+ C, ß+C+n C+D, C+ D+ E, D+ E, D+ E+ A, E + A. E + A + B₁A + ßusw.).

5. Linearer Stellmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitig erregten Pole (z. B. A, A'bzw. B, ß'bzw.

C, C usw.) der beiden Polreihen (27, 29) in Reihe geschaltet sind.