DE2249752A1

DE2249752A1 - Vorrichtung zum erzeugen und entfernen von magnetischem kraftfluss in einer ferromagnetischen struktur

Info

Publication number: DE2249752A1
Application number: DE2249752A
Authority: DE
Inventors: Harlen Leon Baswell; Dale Gordon Brown; Jerry Allen Combs; John Douglas Hays
Original assignee: NCR Corp
Current assignee: NCR Voyix Corp
Priority date: 1971-10-12
Filing date: 1972-10-11
Publication date: 1973-04-19
Also published as: US3809989A; JPS4845820A; FR2156226B1; FR2156226A1; GB1357270A; CA974575A

Description

THE NATIONAL CASH REGISTER COMPANY' Dayton, Ohio (V. St. A.)

Patentanmeldung:
Unser Az.: 1416/GER

VORRICHTUNG ZUM ERZEUGEN UND ENTFERNEM VO.-i MAGNETISCHEM KRAFTFLUß Ik EINER FERROMAGNETISCH STRUKTUR

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auf- und Abbau eines magnetischen Flusses in einer elektromagnetischen Spule.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der der magnetische Kraftfluß sehr schnell entfernt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Auf- und Abbau eines magnetischen Flusses in einer elektromagnetischen Spule, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der Spulenwicklung jeweils an.Verbindungspunkten von aus je einer Schaltvorrichtung und einer Induktivität mit höherem Induktivitätswert als die Spule bestehenden Reihenschaltungen liegen, wobei die Induktivitäten mit dem gleichen Pol einer Spannungsquelle verbunden sind und zum Aufbau des magnetischen Flusses die eine der Schaltvorrichtungen geschlossen und die andere geöffnet wird und zum Abbau des magnetischen Flusses die eine der Schaltvorrichtungen ge-'öffnet und die andere geschlossen wird.

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Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, hat ihre besondere Verwendung für elektrische Sehrittscha 1tmotore und solche Vorrichtungen, die zum Antrieb des Rotors eines Schrittschaltmotors verwendet werden, bei dem zwei Rotore durch mit einem in Torsionsrichtung elastischem Koppelglied verbunden sind, wie es später genauer beschrieben werden wird.

Eine Ausführung der Erfindung wird nun anhand eines Beispieles, das auf einen elektrischen Schrittschaltmotor angewendet wird, mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen ist:

Figur 1 ist eine Querschnittsansicht eines Schrittschaltmotors ;

Figur 2 ist eine Endansicht von rechts auf den in Figur 1 gezeigten Schrittschaltmotor;

Figuren3A bis 3F sind schematische Ansichten des Schrittschaltmotors von Figur 1 und 2, die mehrere Rotor/ Statorstellungen zeigen, wie sie während der Schrittschaltbewegungen auftreten;

Figur 4 zeigt die Hysteresisschleife eines ferromagnetischen Teiles, das in dem Motor verwendet wird;

Figur 5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Erregungsschaltung für die Statorwicklung des Schrittschaltmotors;

Figur 6 zeigt einen Signalverlauf der zur Erklärung der Wirkungsweise des Schrittschaltmotors nützlich ist;

Figur 7 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die vollständige Erregungsschaltung für einen Schrittschaltmotor darstelIt;

Figur 8 ist ein Signaldiagramm, das die Wirkungswelse der Schaltung von Figur 7 zeigt.

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Bezugnehmend auf Fig. 1 und 2 der Zeichnungen sind zwei Ansichten zu sehen, eine Schnittansicht und, eine Endansicht eines Schrittschaltmotors, der auf Tragplatten 12 und 14 gehalten wird, die an einem zylindristben Motorgehäuse 16 befestigt sind, wobei das Gehäuse zwei Rotor-Statoranordnungen 18 und 20 voneinander trennt, die daran befestigt sind. Die Rotor-Statoranordnung 18 enthält ein Paar von Statorhälften 22 und 24, die ringförmig einen Rotor 26 umschließen, der an einem Ende einer Törsionswelle 30 befestigt ist. Anordnung 20 enthält ein Paar Statorhälften 32 und 34, die einen Rotor 36, der an dem anderen Ende der Welle 30 befestigt ist, enthalten. Die Welle 30 ist in Lagern wie Kugellager 4& und 46 gelagert, die entsprechend von Traggehäusen 47 und 48 gehalten werden» wobei die Gehäuse die Enden des Motors bilden. Die Statorhälften 24 und 32 sind mittels Schrauben 49 an dem Motorgehäuse 16 befestigt und die Statorhälften 22 und 34 sind entsprechend an den Statorhälften 24 und'32 mit Hilfe von Schrauben 50, ausgerichtet durch Stifte 51, befestigt. Die Lager 45 und 46 sind mit Hilfe von Klammern 52 und 53 in den Gehäusen 47 und 48 gehalten.

Der Motor besitzt eine Wicklung 60, die in den Statorhälften 22 und 24 enthalten ist und eine Wicklung 61, die in den Statorhälften 32 und 34 enthalten ist. Die Statorhaälften 22 und 24 sind an ihren Polenden durch einen Luftspalt 62 getrennt und die Statorhälften 32 und 34 be-

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sitzen einen ähnlichen Luftspalt 63. Jeder Rotor ist mit 24 in gleichem Abstand angebrachten Rotorzahnen versehen, deren äußere Enden 24 entsprechenden Statorzähnen auf dem inneren Uifany des zugehörigen Stators gegenüberliegen. Die Zähne, der 24 Zähne aufweisende Rotor-Statorkonstruktion (wie sie durch die Buchstaben a, b, c bis v, w, χ in Fig. Z bezeichnet werden), besitzen einen Winkelabstand von IS Grad zwischen den einzelnen Zähnen. Es sind jedoch auch andere Anzahlen von Zähnen möglich, z. B. können 64 gleich beabstandete Zähne verwendet werden. Eine Ausgangswelle 28 ist an dem Rotor 26 angebracht.

Der Magnetflußweg für die Rotor- und Statorhälften am Ende des Motors, wo die Ausgangswelle 28 gelegen 1st, besteht aus einem ringförmigen Weg,der die Statorhälfte 24 einschließt, dem Luftspalt zwischen der Statorhälfte 24 und dem Rotor 26, dem Rotor 26 selbst, dem Luftspalt zwischen dem Rotor 26 und der Statorhälfte 22 und der Statorhälfte 22 selbst.

Eine gegebene Statorhälfte, wie Hälfte 24, nimmt nur eine einzige,magnetische Polarität,wie z. B. einen Nordpol über ihren ganzen Umfang während einer Motorbetätigung an, d. h. es gibt keine Aufteilung der Statorzähne in abwechselnd Nord- und Südpole wie in manchen bekannten Schrittmotoren. Jede Wicklung,wie die Wicklungen 60 und 61 in den Figuren 1 und 2,besteht aus einem einzigen elektrischen Kreis mit einer Anzahl von Windungen. Die WicklungenWⁿden Aussparungen zwischen den Statorhälften, und die Enden der Wicklungen werden als Zuleitung 70 und 71 herausgeführt und mit einer Anschlußleiste 72 verbunden. Eine Erregungsvorrichtung 75 wird über Anschlußleitungen

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74 mit dem Motor verbunden.

Die Figuren 3A bis 3F der Zeichnungen zeigen ein Aufeinanderfolgen der Operationen "Heranholen", "Halten" und "Freigeben" des Rotors durch die Statoren während einer Schrittoperation des Motors, der in Figur 1 und 2 gezeigt wird.

Figur 3A zeigt eine ursprüngliche Stellung des Motors in einer Position, in der die Zähne des Rotors 26 am Ende der Ausgangswelle 28 mit den Zähnen der Stator-, hälften 22 und 24 ausgerichtet sind. Dab'ei ist zu bemerken, daß in Figur 3 die Bezugszeichen 22 und 24 die beiden Hälften des vollständigen Stators, der am Ende der Ausgangswelle 28 des Motors liegt, bezeichnet, wobei diese Hälften durch den als 22, 24 bezeichneten einzelnen Stator dargestellt werden. Zu der Zeit, da die Zähne des Rotors am Ende der Ausgangswelle 28 mit den Zähnen des Stators 22, 24 ausgerichtet sind, sind die.Zähne des Rotors 36 am Wellenende 38 um im wesentlichen eine halbe Schrittposition zu den Zähnen des Stators 32, 34 versetzt, so daB sie im wesentlichen zwischen den Zähnen des Stators 32, 34 liegen. Diese Versetzungsbedingung wird mechanisch während der Motorherstellung eingestellt.

Wenn nun ein Stromfluß in der Wicklung 60 erzeugt wird, werden die Zähne des Rotors 26 in der gezeigten Position gehalten und sind mit den Zähnen des Stators 22, 24 durch eine Haltekraft ausgerichtet und die Torsions-

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welle 30 ist in einem entspannten Zustand. Nachdem die Wicklung 60 zuerst erregt wurde, wird danach ein Stromfluß in der Wicklung öl erzeugt und die Zähne des Rotors 36 werden angezogen und werden mit den Zähnen des Stators 32, 34 durch eine anziehende Kraft ausgerichtet, wie man es in Figur 3B sieht. Zahn "a" ist mit Zahn "a", Zahn "x" mit "x", ausgerichtet usw. In der Motordarstellung von Figur 3B₁ in der beide Wicklungen 60 und 61 erregt sind, ist die Torsionswelle 30 in einem verdrehten oder tordiertem Zustand. In dieser Stellung ist der Motor für seine erste Schrittbewegung bereit.

Die Schrittbewegung kann in Figur 3B durch Abschalten der Erregung von entweder der Wicklung 60 oder 61 eingeleitet werden, um so die gespannte Torsionswelle 30 von ihrem verdrehten Zustand freizugeben. Wenn die Erregung der Wicklung 60 aufgehoben wird* beginnt der Rotor 26 mit einer Drehung im Uhrzeigersinn, wobei seine Zähne von den entsprechenden Zähnen des Stators 22, 24 wegbewegt werden, wie man in Figur 3C sieht. An einem Punkt nachdem die Mittellinie eines Rotorzahnes in die rlähe oder über die Mittellinie zwischen den Zähnen des Stators 22, 24 (Fig. 3C) bewegt wird, wird die Wicklung 60 wieder erregt, so daß die magnetische Kraftwirkung zwischen Rotor und Stator die Zähne des Rotors 26 zu dem nächsten Satz von Zähnen des Stators 22, 24 zieht. Durch die Anziehung wird, wie man in Figur 3D sieht, Rotorzahn "a" in Ausrichtung mit Statorzahn "b", Rotorzahn "x" mit Statorzahn "a" und Rotorzahn "w^M mit Statorzahn "x" gehalten, Während dieser Bewegung in die neue Stellung, wobei diese Bewegung mit dem Aberregen der Spule 60 beginnt, kann sich der verdrehte und elastisch gespannte Zustand der Torsions-

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welle 30 ausgleichen, während das Ende der Welle 28 in Uhrzeigerrichtung beschleunigt wird. Hat jedoch das Wellenende 28 sich bis zu dem Punkt gedreht, wo ein Zahn des Rotors 26 die Hittellinie zwischen den Zähnen des Stators 22, 24 passiert, dann beginnt das Wellenende 28 durch ein erneutes Verdrehen der Welle abgebremst zu werden. Abhängig von der Last, die an dem Motor angeschlossen ist und der Geschwindigkeit der Motoroperation, kann die Wicklung entweder in der Nähe oder genau zu der Zeit, wenn die Mittellinie eines Rotorzahnes mit der iiittellinie zwischen den Zähnen des Stators 22, 24 ausgerichtet ist, wieder erregt werden.

Nach der Drehung des Rotors 26 in die neue ausgerichtete Position, wird die entgegenliegende Wicklung aberregt und die verdrehte Torsionswelle 30 wird wieder freigegeben, wodurch sich eine Bedingung einstellt, in der die Zähne des Rotors 36 sich in Uhrzeigerrichtung relativ zu dem Stator 32, 34 während sich die Torsionswelle 30 entspannt, bewegen. Wiederum an einem Punkt kurz davor, an dem oder nachdem sich die hittellinien der Zähne auf dem Rotor 36 an den Mittellinien zwischen den Zähnen auf dem Stator 32, 34 vorbeibewegen, wie man in Figur 3E sieht, wird die Wicklung wiedererregt und die magnetische Anziehungskraft bewirkt ein ausgerichtetes Festhalten der Zähne des Rotors 36 mit den darauffolgenden Statorzähnen, wie man es in Figur 3F sieht. Dabei ist der Zahn "a" des Rotors 36 mit dem Zahn "b" des Stators 32, 34 und dte dara^XoVgenden Zähne wie gezeigt, ausgerichtet, die TorsionsweHe 30^ied.erum verdreht und das Ausgangsende 28 der Welle 30 ist für die nächste Schrittbewegung bereit.

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Das wechselweise Erregen der Wicklungen 60 und 61, um ein Beschleunigen oder Abbremsen der Wellenenden und Rotoren in die nächste Zahnposition zu erreichen, mit dem Ergebnis, daß eine Verdrehung der Welle 30 erzeugt und dann wieder freigegeben wird, vervollständigt eine Schrittbewegung an dem Ausgangsende der Welle. Das Aufeinanderfolgen von "Einfangen", "Halten" und "Freigeben" des Rotors mit Hilfe von Erregen und Atoerregen der entsprechenden elektrischen Wicklungen, erzeugt eine Energiespeicherung in der Torsionswelle 30. Das Beschleunigen, Abbremsen und Festhalten eines Motors, der nach dem Erfindungsgedanken gebaut wurde, sind zuverlässig und positiv, da jeder Rotorzahn mit einem entsprechenden Statorzahn ausgerichtet ist, während der Hotor in einem erregten Zustand ist. Der Motor 1st In der Lage, ein großes Ausgangsdrehmoment pro Einheit der Rotorträgheit zu erzeugen, da jeder Rotorzahn durch magnetische Kraftwirkung betätigt wird und keine Rotorzähne ruhiggestellt sind oder reserviert zum Gebrauch in einer späteren Zeitphase oder zum Starten des Motors. Das Verhältnis von Drehmoment zu Massenträgheit ist groß für den Motor, da der Magnetfluß im Motor in¹, wesentlichen auf den Bereich der Rotorzähne beschränkt 1st und nicht in dem Mittelbereich des Rotors einzutreten braucht, der deshalb sehr klein und leicht im Gewicht gemacht werden kann.

Bei der Beschreibung von Fig. 3C der Zeichnungen wurde erwähnt, daß die elektrische Erregung für die Wicklung 60 an einem Punkt des Motoroperationszykluses entfernt wird, um der verdrehten Torsionswelle 30 ein Entspannen zu ermöglichen und dadurch den Rotor 26 in Uhrzeigerrichtung zu beschleunigen, wie es durch den Pfeil 27 aufgezeigt wird. Aus energetischer Sicht gesehen, deutet die Beschleunigung

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des Rotors 26 das überführen eines Betrages von potentieller Energie von der durch Drehung gespannten Torsionswelle 30 in den Rotor 26, wo die Energie in kinetische Energie übergeführt wird, die auf die rotierende Masse des Rotors 26 übertragen wird. Im wesentlichen wird die in der Torsionswelle 30 gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, die in dem Rotor 26 für eine Zeitspanne während des Intervalls, das der Freigabe des Rotors 26 durch die Wicklung 60 folgt, gespeichert wird. Der Wirkungsgrad mit dem die in der Torsionswelle 30 gespeicherte Energie in kinetische Energie in dem Rotor 26 übergeführt werden kann, ist aus verschiedenen Gründen wichtig:

1. Bei einer mit einem guten Wirkungsgrad versehenen Energieübertragung ist die an-der Ausgangswelle 28 verfügbare Energie des Motors nicht durch die über die Wicklung 6Q übertragene Energiemenge begrenzt, sondern kann, ebenso die Energie, die über die Wicklung 61 in den Motor übertragen wurde, enthalten. Die Verwendung von zwei Eingangswicklungen hat Vorteile, insofern, als Rotorträgheit, Hitzeverluste, magnetische Sättigung und die Zeitkonstante der elektrischen Wicklung günstig beeinflußt werden.

2. Wenn die Energie wirksam gespeichert und zwischen den Rotoren des Motors übertragen werden kann, wie man es in Figur 3 sieht, ist es unnötig, zur Erzeugung des Startmoments in irgendeinem magnetischen Erreger des Schrittmotors dafür eine Vorrichtung vorzusehen. Das Nichtvorhanden· sein von Rotorpolen, die nur zur Erzeugung des Startmoments gebraucht werden, ermöglicht dem Motor ein geringeres Trägheitsmoment zu haben und ergibt ein höheres Ausgangsdrehmornent bei einer gegebenen physikalischen Motorgröße, da alle der vorhandenen Motorpole zur Drehmomentserzeugung

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verwendet werden und keine Pole zum Gebrauch in aufeinanderfolgenden Zeitphasen der .'iotoroperation reserviert sind. Die Kombination des Rotors 26 und des Rotors 30 ergibt eine nützliche Addition des gespeicherten Antriebsdrehir.oments zu den. an Ausgang an der Motorwelle 28 verfügbaren Drehmoment. Mit anderen Worten wird mit einer wirksamen Energieübertragung über die Torsionswelle 30 durch den Rotor 36 sowohl zu dem Startdrehmoment, als auch zu dem Arbeitsdrehmoment, ein wesentlicher Beitrag auf den Rotor 26 Übertragen.

3. Wenn die Energie wirksam Über die Torsionswelle 30 übertragen werden kann, kann das Ausgangsdrehraoment am Ende 28 des in den Figuren 3 dargestellten Motors mathematisch mit großer Genauigkeit* für wenigstens einen Teil des Funktionszykluses des Motors· vorhergesagt werden. Während des Operationszyklusteiles, Indem die Rotation des Wellenendes 28 durch das Entspannen der Torsionswelle 30 bewirkt wird, wird das am Wellenende 28 verfügbare Ausgangsdrehmoment vollständig durch die elastischen Charakteristiken der Torsionswelle 30 und das innere Motortragheitsmoment bestimmt. Da diese Charakteristiken aufgrund der Eigenschaften der Welle und des Rotors genau gemessen oder berechnet werden können, kann das Motorausgangsdrehmoment genau für den durch die Torsionswelle angetriebenen Teil des Motorzykiuses vorhergesagt werden.

4. Wenn die Energie wirksam zwischen dem Rotor 36 und dem Rotor 26 über die Torsionswelle 30 übertragen werden kann, dann kann eine Kombination von Reibungs- und Trägheitsbelastung, die an den: Wellenende 28 anliegt« so betrachtet werden, als sei ihr Trägheitsanteil durch das Drehmoment von der Torsionswelle 30 angetrieben worden und ihre Reibungskomponente durch den Rotor 26. Obwohl die

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Aufteilung der kraftUberwindenden Antriebsdrehmomente etwas weniger mathematischer exakt ist, ist es in mancher praktischen Situation wichtig, da. es möglich ist, das Drehmoment von der Torsionswelle 30 so zu betrachten, als hätte es die Last am Jellenende 28 auf eine Rotationsgeschwindigkeit beschleunigt, bevor ein magnetisches Drehmoment an den Rotor 26 angelegt wird. Das aufeinanderfolgende Auftreten eines bekannten, vorhersagbaren Federdrehmomentes am Wellenende 28, das von einem magnetisch erzeugten Motordrehmoment gefolgt wird, kann die erwünschte mathematische Berechnung des Lastverhaltens bei einigen Motoranwendungen ermöglichen.

5. Wenn die Energie wirksam zwischen dem Rotor 36 und dem Rotor 26 über die Tor.sionswelle 30 übertragen werden kann, dann besteht die Umkehrung der Motordrehrichtung nur in der Auswahl, ob zuerst der Rotor 36 oder erst der Rotor 26 freigegeben werden soll, wenn sich die Torsionswelle 30 in dem verdrehten Zustand, der in Figur 3B der Zeichnung gezeigt wird, befindet. Bei der Verwendung des Motors in einer Geschäftsmaschine zum Beispiel, ist zur umkehrung der Drehrichtung des Motors nur eine Änderung des Steuersignales notwendig, um auszuwählen, welche der Wicklungen 60 und 61 zuerst aberregt werden soll, nachdeir: in der Torsionswelle 30 potentielle Energie gespeichert wurde.

Diese wirksame Energieübertragung wird durch Reduzierung der Energieverluste, die aufgrund von Reibung oder Torsionshysterese an cer Welle 30 auftreten, unterstützt. Es hat sich für diesen·Zweck als wünschenswert erwiesen, die Torsionsv/elle 30 aus einer.¹. Material herzustellen, •bei dem die Verluste auf Grund von Molekularer Reibung Und mechanischer Hysterese ein iiinimum sind. Unter den

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Materialien, die sich für diesen Zweck als vorteilhaft erwiesen haben, ist die Stahlfamilie, die als Elektrostahl bekannt ist und besonders der Stahl, der unter der amerikanischen Eisen- und Stahlinstitutsnummer 52100 (AISI 52100) als Kugellagerstahl bekannt 1st. Wenn AISI 52100 Kugellagerstahl verwendet wird, wurde gefunden, daii eine Torsionswelle 30, die ein Längen- zu Durchraesserverhältnis in der Nahe von 16 zu 1 besitzt, ist sowohl in Bezug auf Energie-verluste als auch in Hinsicht auf Ermüdungsfreiheit zufriedenstellend.

Andere Materialien, die erfolgreich für die Torsionswelle 30 verwendet wurden, sind Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen. Aluminiumlegierungen besitzen einige Nachteile für die Torsionsanwendung, da sie eine relativ niedrige Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung bei Torsionsbelastung aufweisen. Titanverbindungen andererseits erlauben die Verwendung eines kleineren Längen- zu Durchmesser-Verhältnisses für die Torsionswelle 30.

Solange Energieverluste durch molekulare Reibung und mechanische Hysterese in den gewünschten Grenzen gehalten werden, können andere Materialien und andere Formen der Torsionswelle 30 in der Praxis verwendet werden, so z. B. kann das Torsionswellenglied durch eine Spiralfeder oder durch ein organisches, federndes Glied ersetzt werden.

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Ein« zweite Klasse von Entrg1tver1u3t*ech»n1s»tn, die btira EnergieUbertragen vom Rotor 26 zum Rotor 36 über das Tor*1onswellengl1«d 30 auftritt, enthält eile Vorgingt, die 1» Zusammentiing mit der Freigabe des Rotors ZS aus dir Magnetischen Arretierung durch cteri Stator ZZ» 24 auftreten· wenn die Spule 60 aberregt 1st* Es wurdt gefunden· daiJ drei verschiedene Cnergteverltistntechanisnen «fahrend der Rotor·» freigäbe auftreten, das Ut dann» wenn die nagnatische Kraftflulkeepluni zwischen des Rotoriahn **· zu« Statorzähe ·*· 1n Figur 31 der Zeichnungen von um Motor entfernt wird» wobei zwei dieser EnergieverlusUechtnUirien magnetische Hysterese und elektrische Wirbelstrom sind, die in u*r Eiektreaasffcinentechnik bekannt sind. Man glaubt, d*a die «eiste fcnerf1·· 41* durch magnetische Hysterese und elektrische WirkelstrHee beim Aberrtgen der Spule bO verloren >eht_a aus der elektrischen Induktivität der Spule 60 kommt, und.daö nur ein kleider Anteil dieser Verluste au» der In de» Torsionswelltnglied 30 gtsieicherte»» Energie entnoüimen wird* Der dritte En*rg1everlust»echani**ws, 4er belt» Aberregen der Spule f0 In Figur 31 auftritt« entsteht durch CeneratOFwirkung» die auftritt, wenn die verdrehte el asti sehe Torsie«swelle JO sie« entspannt» was auf die Freigabe des Rotors 20 hin durch ein langsam abnehmendes» magnetisches Feld 9»scH*lit* die Abnahme des «agnetischen Feldes in einem induktiven Kreis geht anfingt relativ langsam vor »ich, 1m Vergleich zur Mechanischen Zeltkonstante der elastischen TorsionsweUe ued Ihrer Trägntitskraft, Oer dritte Energie«· Verlustvorgang kann durch überprüfen der in Flour 3B gezeigten Komponente» erklärt werden* Vor der Freigabe des Roten 26 durch die Spule (>u 1st das Tors1onswe1len<jHed verwunden oder verdreht, und der Rotorzahn *w" auf dem Rotor 26 ist »it dem Statorzahn "w" auf de« Stator 12, 24

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ausgerichtet. In diesem Zustand wird das Drehmoment des Torsionswellengliedes durch das Drehmoment der magnetischen Kraftwirkung zwischen den ausgerichteten Rotor- und Statorzähnen kompensiert.'Einige Zeit nachdem die Erregung von der Spule 60 entfernt wurde, wird der magnetische Kraftfluß, der den Rotor 26 fest entgegen der Torsionskraft des Torsionswellengliedes 30 hält, bis zu einem ausreichenden Grad abgenommen haben, so daß das Drehmoment des Torsionswellengliedes 30 größer 1st» als das auf den Rotor 26 ausgeübte magnetische Drehmoment und in diesem Zustand beginnt sich der Rotor 26 zu drehen. Da der megnetische Kraftfluß, der noch nachdem die Drehung des Rotors 26 begonnen hat, verbleibt, nicht sofort verschwindet, sondern noch Über eine bestimmte Zeitperlode hin vorhanden 1st, wobei diese Zeit in Millisekunden gemessen wird und eine Funktion der elektrischen Induktion der Spule 60 ist,- 1st die Anfangsdrehung des Rotors 26 nicht frei, sondern wird durch den verbleibenden Magnetfluß zwischen Rotor 26 und Stator 22, 24 abgebremst. Obwohl der Magnetfluß der durch die Spule 60 rzeugt wurde, weiterhin abnimmt, während der Rotor 26 sich weiterbewegt, ist die Zeit, die verstreicht ehe der bewegte Rotor 26 vollkommen frei von jeglicher Abbremsung durch magnetischen Kraftfluß ist, ziemlich lang, sogar länger, als das Torsionswellenglied 30 braucht, um den Rotor 26 um eine vollständige Zahnposition zu drehen. Deshalb kann in vielen Fällen festgestellt werden, daß die ganze Bewegung des Rotors 26 zwischen aufeinanderfolgenden, zueinanderausgerichteten Zahnpositionen eine Drehbewegung 1st, die durch den abnehmenden magnetischen Kraftfluß von der Spule 60 her abgebremst wird, wenn nicht Vorkehrungen getroffen werden, um den durch die Spule 60 erzeugten

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magnetischen Kraftfluß schnell vom Motor zu entfernen.

Es muß gesagt werden, daß der abnehmende magnetische Kraftfluß von der Spule 60 her nur einen verzögernden Effekt auf die Drehung des Rotors 26 ausübt, da.das Torsionswellenglied 30 zu jeder Zeitperiode in der Lage ist, potentielle Energie zu speichern und speichert tatsächlich seine potentielle Energie bis die festhaltende Kraft des magnetischen Kraftfeldes genügend abgenommen hat, um dem Rotor ein Sichweiterdrehen zu erlauben. Mit anderen Worten kann sichergestellt v/erden,daß die Drehung des Rotors 26 tatsächlich nicht eher beginnt, bis der magnetische Kraftfluß um einen genügenden Betrag abgenommen hat. Von dem abnehmenden magnetischen Kraftfluß von der Spule 60 her, der ernstlich die Drehung des Rotors 26 verzägert, wurde jedoch gefunden, daß dieser Kraftfluß tatsächlich einen wesentlichen Teil der in dem Torsionswellenglied gespeicherten potentiellen Energie absorbiert und als Vorrichtung dient, um diese potentielle Energie aus dem Motorbereich heraus in elektrische Widerstände und andere Verlustmechanismen zu leiten. Die Möglichkeit, Energie durch das abnehmende magnetische Kraftfeld zu entfernen, kann durch die Feststellung, daß jede Bewegung des Rotors 26 durch das Torsionswellenglied 30, die nicht zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit des Rotors 26 führt, potentielle Energie darstellt, die in dem Torsionswellenglied 30 verlorengeht und nicht in auf den Rotor übertragene kinetische Energie umgewandelt wird, das bedeutet, wenn der Rotor während des Entspannens des Torsionsweilengliedes 30 sich zwischen den Punkten "a" und "b" hin- und herbewegt, ohne daß eine Erhöhung der Rotorgeschwindigkeit feststellbar ist, dann geht potentielle Energie in dem Motor verloren.

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Um die potentielle Energie, die in dem Torsionswellenglied 30 gespeichert ist, für die gewünschte Verwendung in dem Motor und seiner mechanischen Belastung zu erhalten und um einen Verlust dieser potentiellen Energie durch Magnetfeldkopplung in dem bewegten Rotor zu vermeiden, ist es notwendig, daß'der magnetische Kraftfluß in der Spule 60 so schnell wie möglich entfernt wird, nachdem einmal die Spule 60 von Ihrer Erregungsstromquelle getrennt worden 1st; das bedeutet, eine sofortige Abnahme des in der Spule 60 erzeugten Kraftflusses 1st wünschenswert.

Das schnelle Entfernen des durch die Spule 60 erzeugten Kraftflusses schließt die Berücksichtigung von zwei Kraftflußkomponenten ein. Eine dieser Komponenten 1st die in dem Luftspalt gespeicherte Energie des Motors zwischen Rotor 26 und den Statoren 22» 24. Das besagt, daß die Spule 60 eine elektrische Induktivität ist, die in ihrem Luftspalt eine Energiemenge, die durch

2 die mathematische Formel E= 1/2 LI ausgedrückt werden kann, magnetisch gespeichert hat, wobei E die Energie darstellt, L die Induktivität und I den Strom, der in der Induktivität L fließt. Nach der -Magnettheorie wird diese Energie In dem Luftspalt der Induktivität oder in dem Feld, was sich zwischen den Rotor- und den Statorpolen des Motors ausbildet, gespeichert. Das Entfernen des Magnetfeldes, das durch die magnetische Induktivität der Spule 60 erzeugt wird, schließt deshalb das Entfernen einer Energiemenge mit Hilfe eines elektrischen Verlustelementes, das an die Anschlüsse der Spule 60 angeschlossen wird, von dem magnetischen Kreis ein. Zusätzlich zu dem magnetischen Kraftfluß, der durch die in der Induktivität der Spule gespeicherten Energie entsteht, gibt es auch eine Kraftfluß-

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komponente, die den Rotor 26 mit dem Stator 22, 24 verbindet, die durch Restmagnetismus in der ferromagnetischen Struktur des Rotors 26 und des Stators 22, 24 entsteht. Diese Restmagnetismuskomponente kann unter Bezugnahme auf die Figur 4 beschrieben werden.

In Figur 4 ist ein Koordinatsystem mit den Achsen 457 und 459 gezeigt, die entsprechend magnetische Kraftflußdichte B und magnetische Feldstärke H darstellen. In diesem Koordinatensystem ist eine magnetische Hysteresiskurve des Typs, wie er zur Beschreibung einer ferromagnetischen Struktur, wie des Rotors 26 und des Stators 22, 24 dient, dargestellt. In der Kurve von Figur 4, kann der Punkt 461 den Arbeitspunkt der ferromagnetischen Struktur des Motors, der in Figur 3C gezeigt wird, während der Erregung der Spule 60, darstellen. Nachdem die Erregung an der Spule 60 in Figur 3C abgeschaltet wurde, gleicht sich der Magnetfluß in der magnetischen Struktur bis zu dem Punkt 463 in Figur 4 aus. In dem Punkt 463 besitzt die magnetische Feldstärke die Größe Null (H«0), die an dem Motor anliegt. Obwohl eine Feldstärke der Größe Null an der ferromagnetischen Struktur in Punkt 463 in Figur 4 anliegt, ist noch eine beträchtliche Menge von magnetischer Kraftflußdichte in der magnetischen Struktur des Motors verblieben, wie es durch den vertikalen Abstand zwischen dem Koordinatenursprungspunkt und dem Punkt 463 dargestellt wird, die Strßcke, die als 462 in Figur 4 bezeichnet wird. Die Entfernung des magnetischen Kraftflusses der durch den Punkt 463 von Figur 4 dargestellt wird, erfordert, daß eine entgegengesetzt gepolte, magnetische Feldstärke an die Spule 60 angelegt werden muß. Die. notwendige, entgegengesetzt gepolte, magnetische Feldstärke ist durch die Strecke

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entlang der Η-Achse von Figur 4 gekennzeichnet. Auf das Anlegen der entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feldstärke, die durch die Strecke 465 dargestellt wird, fällt die Kraftflußdichte in der magnetischen Struktur des Motors auf den durch 467 in Figur 4 bezeichneten Punkt.

Punkt 467 stellt eine Kraftflußdichte von etwa Null dar. Eine Kraftflußdichte von Null ist der Wert, bei dem nur eine verschwindend geringe Bremskraft der Bewegung des Rotors 26 durch das Torsionswellenglied 30 entgegenwirkt.

Eine vollständige Entfernung des magnetischen Kraftflusses, der die Rotor- und Statorglieder des Schrittschaltmotors in Figur 3 verbindet, erfordert, dab sowohl die Restmagnetismuskomponente des Kraftflusses, als auch die zur elektrischen Induktionsenergie gehörige Komponente des Kraftflusses berücksichtigt werden, und daß die Gesamtsumme dieser Komponenten so schnell wie möglich nach dem Abschalten der Erregung der Spulen oder 61 auf Null reduziert werden muß. Ein elektrischer Schaltkreis, der in der Lage 1st, sowohl die Induktionsenergie von den Spulen 60 oder 61 zu entfernen, als auch die Erzeugung der entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feldstärke in den Spulen 60 oder 61 und diese Vorgänge außerdem in schneller, automatischer Folge ausführt, wird in dem elektrischen Beschreibungsteil dieser Anmeldung beschrieben.

Wenn der Motor so betrieben wird, daß eine wirksame Energieübertragung von einem Rotor zu dem anderen Rotor mit Hilfe der Energiespeicherung in der Torsionswelle möglich

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ist, kann die Funktion des Motors anhand eines Energieflußschemas wie folgt beschrieben werden:

In Figur 3A ist ein Motor, bei dem der Rotor 26 magnetisch mit dem Stator 22, 24 gekoppelt ist und mit einer erregten Spule 6.0, um die Rotor-Statorverbindung aufrechtzuerhalten. Der Rotor 36 in Figur 3A ist mit unausgerichteten Rotorzähnen, d. h. hier gegenüber den Statorzähnen um die Hälfte eines Schrittabstandes versetzt, gezeigt. In dieser Stellung ist die Spule 61 nicht erregt, und die Torsionswelle 30 ist entspannt. Wenn elektrische Energie an die Spule 61 angelegt wird, soda3 sich in ihr ein magnetischer Kraftfluß einstellt, dreht sich der Rotor in die in Figur 3B gezeigte Position, wodurch seine Zähne ebenfalls mit den Zähnen des benachbarten Stators 32, 34 ausgerichtet werden. Während dieses Ausrichtungsprozesses, wird ein Teil der elektrischen Energie, die an die Spule 61 angelegt wird, durch die Erregung der schrittweisen Drehung, die den Stator 32, 34 und den Rotor 36 umfaßt, umgewandelt in mechanische Energie und diese mechanische Energie wird in Form von potentieller Energie in dem Torsionswellenglied 30 gespeichert. Mit anderen Worten wird ein Teil der der Spule 61 zugeführten elektrischen Energie in mechanische Rotationsenergie umgewandelt, die in den Rotor 36 übertragen wird, und von dort in potentielle, mechanische Energie, die in die entgegengesetzt gerichtete, elastische Kraft des Torsionswellengliedes 30 übertragen wird. In der Art, wie der Motor in Figur 3D gezeigt wird, ist die in dem Torsionswellenglied 30 gespeicherte potentielle Energie bereit, auf einen der Rotoren einzuv/irken. Dieses Einwirken geschieht in den in Figur 3C dargestellten Vorgängen, worin der Rotor

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durch Abschalten der Erregung von der Spule 60 freigegeben worden ist und die potentielle Energie» die in dem Torsionswellenglied 30 gespeichert wurde, beschleunigt den Rotor 26 in Uhrzeigerrichtung, wie.es durch den Pfeil 27 dargestellt wird. Diese Beschleunigung des Rotors wird aus energetischer Sicht gesehen, durch die im Torsionswellenglied 30 gespeicherte potentielle Energie

• ν

hervorgerufen, die in den Rotor 26 in Form von kinetischer Energie übertragen wird.

Wenn der Rotor 26 bei seiner Drehjung den Punkt der in Figur 3C dargestellt ist, erreicht, wobei eine Mittellinie der Rotorpole mit der Mittellinie zwischen den Statorpolen ausgerichtet ist, ist alle in dem Torsionswellenglied 30 gespeicherte potentielle Energie daraus entfernt worden und ist nun in den Rotor 26 in Form kinetischer Energie übertragen worden. Die kinetische Energie des Rotors 26, versucht den Rotor 26 in eine darauffolgende, ausgerichtete Rotorpolstellung, wie in Figur 3D der Zeichnungen gezeigt ist, zu bewegen. Da jedoch die Energieübertragung vom Torsionswellenglied 30 in den Rotor 26 weniger als 100% Wirkungsgrad aufweist, und da Energieverluste in dem Motor und bei seiner Belastung auftreten, ist die auf den Rotor 26 übertragene kinetische Energie nicht in der Lage, den Rotor 26 vollständig in die darauffolgende ausgerichtete Schrittposition, wie sie in Figur 3D gezeigt wird, anzutreiben, sondern sie ist nur in der Lage, ihn bis in die Nähe dieser genau ausgerichteten Stellung anzutreiben. In einem Punkt, nachdem der Rotor die in Figur 3C gezeigte Position erreicht hat, oder sogar kurz bevor der Rotor die in Figur 3C gezeigte Position erreicht hat, wird die Spule 60 wiederum erregt, und eine

ι υ. ι ■: 7 c

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zusätzliche Energiemenge wird auf den Rotor 26 übertragen, um ihn bis zu der exakt ausgerichteten Position, die in Figur 3D gezeigt wird, zu bewegen. Sowohl die kinetische Energie, die den Rotor 26 von der unausgerichteten Position der Figur 3C zu der ausgerichteten Position der Figur 3D hinwegbewegte, als auch ein Teil der Energie, die zusätzlich auf den Rotor 26 über die Spule 60 übertragen wurde, als der Rotor 26 in der Mähe der exakt ausgerichteten Position war, sind in dem Torsionswellenglied 30 gespeichert, während der Rotor sich 1n der in Figur 3D gezeigten Stellung befindet. Das besagt, daß das Torsionswellenglied 30 In Figur 3D sowohl eine Energiemenge₅die dem Rotor 36 entnommen wurde, als auch eine zusätzliche Energiemenge, die Über der Spule 60 und den Rotor 26 additiv übertragen wurde, enthält. In dieser Stellung, wie sie in Figur 3D gezeigt wird, ist das Torsionswellenglied 30 wieder zur Freigabe eines Rotors vorbereitete, auf den die potentielle Energie übertragen wird, wodurch eine Drehung des freigegebenen Rotors bewirkt wird.

Da die im Torsionswellenglied 30 von Figur 3D gespeicherte Energiemenge im wesentlichen die gleiche Energiemenge, wie sie in dem Torsionswellenglied 30 von Figur 3B gespeichert wurde, ist» wird es deutlich, daß die Energie, die Über die Spule 60 dem bewegten Rotor 26 bis zur Ausrichtung zugeführt wurde, wie in Figur 3B gezeigt, im wesentlichen die Enrgiemenge 1st, die gebraucht wird, um die Enrgieverluste» die in dem Motor und durch seine Belastung auftreten, auszugleichen. Das bedeutet, daß die kinetische Energie des Rotors 26 zusätzlich zu dem benötigten Betrag um den Rotor 26 gegen das Drehmoment des Torsionswellengliedes 30 in die ausgerichtete Stellung

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von Figur 3D zu drehen, vorhanden ist, und durch die

Spule 60 zugeführt wird.

In Figur 3E wurde die in dem Torsionswellenglied von Figur 3U gespeicherte potentielle Energie durch Aberregen der Spule 61 freigegeben und in den Rotor 36 übertragen. Während sich der Rotor 36 der In Figur 3T gezeigten Stellung nähert, wird die Spule 61 wieder erregt, um die Torsionswelle 30 mit einer zusätzlichen Energiemenge zu versorgen und den Rotor in dit exakt ausgerichtete Position von Figur 3F zu bewegen.

Der beste Moment, um die Spulen 60 und 61 während der Rotorbewegung der Figuren 3C und 3E abzuerregen, hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Belastungsart,die an den Motor angeschlossen 1st, der Operationsgeschwindigkeit des Motors, die Art des elektrischen Antriebsschaltkreises, die zur Erregung der Spule 60 verwendet wird und die mechanischen und elektrischen Zeltkonstanten des Motors. Es 1st klar, daß wenn einmal der sich bewegende lotor 26 sich der in Figur ZC gezeigten Position mit bewegtem Rotor und mit kinetischer Energie beaufschlagt, nähert, kann der Kraftfluß an die Spule 60 ohne die Gefahr des Zurückziehens des Rotors in die vorhergehend ausgerichtete Stellung von Figur 3B in die Spule 60 angelegt werden, da die Trägheit des Rotors Ihn in die darauffolgende Schrittposition, die In Figur 3D gezeigt wird, weiterdrehen wird. Außerdem 1st es jedoch so, daß ein vorzeitiges Anlegen des Kraftflusses durch die Spule 60, bevor der Rotor 26 diese Position erreicht, die Bewegung des Rotors 26 verzögert und aus energetischer Sicht einen schlechten Wirkungsgrad bietet. Dieses vorzeitige Anlegen des Kraftflusses kann auch ein rauhes und

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geräuschvolles Arbeiten des Motors bewirken.

Abhängig von dem Betrag der Reibungs- und Trägheitsbelastung, die dem Motor eingeprägt wird, der Zeitverzögerung, zwischen der Spulenerregung und dem Einstellen des Kraftflusses und verschiedenen anderen Faktoren, wird die.Spüle 60 in einem Extremfall beim Annähern an die Hitte der unausgerichteten Stellung wiedererregt, so daß der Rotor 26 für eine längere Zeitperiode ir.it Energie versorgt wird. Auf jeden Fall ist es wünschenswert, daß die Spule 60 mit einer solchen Häufigkeit und einem solchen Spitzenwert der Erregung wiedererregt wird, daß nicht ein beträchtlich größerer Betrag von kinetischer Energie auf den Rotor 26 zu der Zeit übertragen wird, wenn er die exakt ausgerichtete Stellung von Figur 3D erreicht. Wenn der Rotor 26 eine weit die zur Drehung benötigte kinetische Energie überschreitende kinetische Energie erhält, um ihn in die ausgerichtete Stellung von Figur 3D zu bewegen, wird diese überschüssige Energie in Form von mechanischen Schwingungen des Rotors um die ausgerichtete Stellung von Figur 3D herum, vernichtet und geht in Form von Wärme in die ferromagnetischen Teile und in die elektrischen .Erregungsschaltkreise des Motors, da die Schwingungen um die ausgerichtete Stellung, wie in Figur 3D, große Flußänderungen und große Spannungsänderungen in der Wicklung 60 erzeugen. Der Energieweg, der den Rotor und die äußeren elektrischen Verlustelemente miteinander verbindet, ist in dem elektrischen Teil dieser Beschreibung erklärt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß eine sorgfältig ausgearbeitete Folge von Erregungsschritten vorbereitet ist, um den Energiefluß hinein und heraus aus den

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Spulen 60 und 61 genau zu steuern, damit die relativ kleine Menge an mechanischer, potentieller Energie, die in den· Torsionswellenglied 30 gespeichert ist, erhalten bleibt und nützlich verwendet werden kann. Da die Schritte, die zur schnellen Freigabe der Rotoren 26 und 36 vom magnetischen Kraftfluß der Spulen 60 und 61 notwendig sind, selbst unökonomisch und verlustreich an Energie sind, ist der gesamte Energiewirkungsgrad des Motors nicht sehr groß. Das beruht darauf, daß man die nützliche kleine Energiemenge des Torsionswellengliedes erhalten will, wodurch größere Mengen elektrischer Energie verloren gehen. In vielen Motoranwendungen wurde gefunden, daß der Gesamtwirkungsgrad eine zweitrangige Betrachtung 1st, im Vergleich mit der gewünschten Operationsweise.

In Figur 5 der Zeichnungen wird ein elektrischer Schaltkreis gezeigt, der zum Erregen des magnetischen Erregers für die stückweise Drehbewegung dient, der an einem Ende des Torsionswellengliedes 30, das in Figur 3 gezeigt wird, gelegen ist. In dem in Figur 5 gezeigten Schaltkreis gehört die elektrische Wicklung 411 zu einer der Erregungsspulen 60 und 61 von Figur 3. Die Schaltung in Figur 5 enthält eine elektrische Wicklung 411, die mit zwei elektrischen Induktionsspulen 399 und 431 verbunden ist, und mit zwei elektrischen Schaltelementen, wie den Transistoren 407 und 439, eine elektrische Enrgiequelle 427, die über Anschlüsse 395, 425 und Masseanschlüsse 409 und 410 mit den Transistoren 407 und 439 und an die elektrischen Widerstandselemente 497 und 429 angeschlossen ist. Die Transistoren und 439 in Figur 5 werden durch Signale, die an Ihre Basiselektrode über Anschlüsse 473 und 441 angelegt werden, ein- oder ausgeschaltet.

Figur 6 der Zeichnungen zeigt ein elektrisches Signal,

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wie es während der Ausgleichsfunktion des Transistors 407 oder 439 in Figur 5 angetroffen werden kann. Das Signal von Figur 6 besteht aus einer Periode ansteigender Spannung 443, einer Periode konstanter Spannung 447 und einer Periode abfallender Spannung 449 zusammen mit Zeitangaben über die Dauer wichtiger Teile des Signals bei 451 und 453.

üie Art, wie die Schaltung in Figur 4, die zu der Wicklung 411 gehörige ferromagnetische Struktur erregt und eine schnelle Abnahme der magnetischen Kraftflußkopplung nach dem Aberregen bewirkt, kann anhand der elektrischen Energiebeziehungen beschrieben werden, die gut für elektrische Induktionsspulen bekannt sind. Diese Beschreibung beginnt üblicherweise mit der Annahme, daß der Schaltkreis von Figur 5 zu einer früheren Zeit erregt worden war und genügend Zeit hatte in einen Gleichgewichtszustand zu kommen, wobei alle Ströme und Spannungen, die dort auftreten, einen konstanten Wert angenommen haben. In diesem Gleichgewichtszustand ist der Transistor Ql, 407, in leitendem Zustand und der Transistor Q2, 439, in gesperrtem Zustand und es fließt ein als If bezeichneter Strom, wie durch den Pfeil 421 dargestellt, durch den Widerstand 429, die Induktionsspule 431, die Wicklung 411 und den Transistor 407. Typischerweise für eine Ausführung der Erfindung.kann der Strom If in der Größenordnung von 5 Ampere sein, während die Spannung 427 in der Größenordnung von +48 Volt ist, die Induktivität der Wicklung 411 etwa 3 Millihenry, die Induktivität der Spulen 399 und 431 beträgt etwa 30 Millihenry und der Widerstand und 429 besitzt einen Wert zwischen 0 und 8 Ohm.

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-2b

Die Widerstände 397 und 429 besitzen solche Werte, daß sie den Ruhestrom in den Induktionsspulen 399 und 431 auf einer vorherbestimmten Größe halten.

Mit dem Ruhestrom If, der in der Schaltung von Figur 5 fliefcit, besitzt die über der Induktivität 431 ausgebildete Spannung die Polarität, die durch Plus- und Minuszeichen 433 und 435 dargestellt werden, wobei das obere Ende der Induktivität 431 positiv gegenüber dem unteren Ende der Spule ist. Bei der Spule 411 ist das rechte Ende positiv in Bezug auf das linke Ende, wie es durch das Pluszeichen 415 und das Minuszeichen 413 gezeigt wird. Während des Ruheintervalls ist auch ein Strom in der Induktionsspule 399 und dem Widerstand 397 vorhanden. Dieser Strom ist als Il bezeichnet und ist durch den Pfeil 423 in Figur 5 dargestellt. Sowohl der Strom II, als auch der Strom If fließen über den Schaltungspunkt 405 und dann in das Schaltelement, das durch den Transistor 407 dargestellt v/ird und danach zum Masseanschluß 409. Damit fließt ein gesamter Ruhestrom von 10 Ampere in dem elektrischen Schaltelement 407. Der Ruhestroiazustand des Schaltkreises von Figur 5 stellt den Zustand dar, der auftritt, wenn der Rotor,der mit der Wicklung 411 zusammenwirkt, in magnetischer Verbindung mit dem zugehörigen Stator gehalten wird. Dieser Ruhezustand ist ähnlich dem Zustand, als wenn ein Rotor zu einer Statorposition angezogen wird, was auf die Freigabe und die Bewegung des Rotors folgt. Die Vorgänge, die nachdem der Rotor im Ruhezustand gehalten wurde, folgen, bestehen aus einem Abschalten des Schalteler.ients, das vorher eingeschaltet war, d. h., der Transistor Ql, 407, und Einschalten des gegenüberliegenden Schaltelementes, d. h., des Transistors Q2, 439, wobei in der Schaltung nach

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Figur 5 die im folgenden beschriebenen Vorgänge ablaufen.

Wenn das elektrische Schaltelement, der Transistor Q2, 439, eingeschaltet wurde, wird der Ruhestrom If, 421, von seinem Weg durch die Wicklung 411 auf einen lieg, der durch das elektrische Schaltelement 439 führt, umgeleitet. Die Entfernung des Stromes If von der Wicklung 41I₉ erzeugt eine augenblickliche Änderung der Spannungspolarität über der Wicklung 411, da die Energie, die in der Induktivität der Wicklung 411 gespeichert wurde₉ versucht, den Strom If, der in der Wicklung floß, aufrechtzuerhalten. Das Aufrechterhalten des Stromes If ist in Übereinstimmung mit den gutbekannten Eigenschaften von elektrischen Induktionsspulen, daß ein vorher eingestellter Stromfluß sich selbst so lange aufrechterhält, wie magnetische Energie zur Aufrechterhaltung des Flusses verfügbar ist. Der plötzliche Wechsel der Polarität der Spannung über der Wicklung 411, versucht die Spannung an dem Schaltungspunkt 405 auf einen positiven Wert anzuheben, wie es durch den Teil 443 des Signals in Figur 6 gezeigt wird. Die augenblickliche Polarität der Spannung über der Wicklung 411 ist nun durch die Zeichen 417 und 419 angezeigt.

Die Unterbrechungen des Stromflußweges II, 423, der durch das elektrische Schaltelement, den Transistor 407, floß, erzeugt eine plötzliche Änderung der Spannungspolarität über der Induktionsspule 399, wobei die neue Polarität für die Induktionsspule 399 durch die Ziffern 404 und 402 bezeichnet sind. Diese Polaritätsänderung geschieht ebenfalls aufgrund des vorher erwähnten Verhaltens einer elektrischen Induktionsspule, bei der ein Gleichstromfluß unterbrochen wird. Da sowohl die in der Wicklung 411 gespeicherte elektrische Energie, als auch

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die in der Induktionsspule 399 gespeicherte Energie den Schaltungspunkt 405 nach der Unterbrechung des Ruhestromweges durch ein Schaltelement, den Transistor 407 auf ein positives Potential bringen, sind tatsächlich zwei Energiequellen vorhanden, die den vorhergehend erwähnten Anstieg, der im Bereich 443 von Figur 6 vorhanden ist, erzeugt. Wenn kein Spannungsbegrenzungseiement vorhanden ist, das auf den Schaltungspunkt 405 einwirkt, wUrde sich die Spannung an dem Punkt 405 auf einen hohen Wert einstellen, sogar so hoch, daß er einige tausend Volt betragen würde, aufgrund der in den Wicklungen 411 und der Induktionsspule 399 gespeicherten Energie.

Der Transistor Ql, 407, wirkt außer seiner Wirkung als Schaltelement auch als Spannungsbegrenzungseiement, während eine hohe Spannung an dem Schaltungspunkt 405 erscheint. Die Amplitude, bis zu der der Transistor ein Ansteigen der Spannung an dem Schaltungspunkt 405 erlauben wird, ist von den sekundären Durchbruchs· Charakteristiken des Transistoriibergangs, der in dem Schaltkreis in der Ql, 407-Stel lung, verwendet wird, abhängig. Die 2N3773 Transistoren, die in Figur 5 verwendet werden, besitzen eine sekundäre Durchbruchscharakteristik, die die Spannung an dem Schaltungspunkt 405 auf ungefähr 160 Volt begrenzt, wenn ein Strom von 10 Ampere fließt.

Da sowohl die Wicklung 411, als auch die Induktionsspule 399 der grundsätzlichen Beziehung V ■ Ldi/dt gehorchen, wobei V die Spannung über einer Induktivität L ist, in der eine Stromänderung der Größe di/dt auftritt. Sowohl die Rate, in der sich der Strom in der Wicklung 411 ändern kann, als auch die Rate, mit der die Energie aus der Induktivität der Wicklung 411 entfernt werden kann

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und damit die Rate, mit der der magnetische Kraftfluß zwischen dem Rotor und dem Stator entfernt werden kann, sind abhängig von der Größe der Spannung, die an dem Schaltungspunkt 405 zugelassen wird. Wenn ein Transistor eine höhere Sekundärdurchbruchsspannungscharakteristik als der 2N3773 Transistor besitzt, der an der Ql, 407-Stelle verwendet wird, wird Energieentfernungsvorgang schneller als in dem 150 Mikrosekundenintervall vorsichgehen, als es bei 451 in Figur 6 gezeigt ist. Leistungstransistoren des NPN-Typs sind verfügbar mit einer Sperrspannung, die höher als 160 Volt liegt, diese Transistoren sind jedoch nicht geeignet für die vorliegende Erfindung, da die Spannung, die in dem Schaltungspunkt 405 entwickelt wird, schnell jede Sperrspannungsgrenze überschreitet, die bei einem Leistungstransistor möglich ist, der nicht für ein Arbeiten als Energievernichtungselement in der zweiten Durchbruchsart geeignet ist. Der 2N3773 hat eine zweite Durchbruchsenergievernichtungscharakteristik, die eine relativ hohe Spannung aufweist, in Bezug auf den gegenwärtigen Stand der Transistortechnik. Die Energievernichtung, die in dem Transistor Ql, 407, auftritt, stellt eine Änderung des magnetischen Kraftflusses in der ferromagnetischen Struktur dar, die mit der elektrischen ■ Wicklung 411 gekoppelt ist, von dem Punkt 461 zu dem Punkt 463 auf der magnetischen Hysteresiskurve, der B-H-Kurve von Figur 4 dar.

Obwohl die Transistoren, die als elektrische Schaltelemente 407 und 439 verwendet werden, die Spannung, die an dem Schaltungspunkt 405 auftritt, auf einen Wert von etwa 160 Volt begrenzen, ist es wichtig festzustellen, daß diese Begrenzung auf 160 Volt tatsächlich eine

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schnellere Entladung der in der Wicklung 411 gespeicherten Energie bewirkt, als es ein mechanisches Schaltelement bewirken würde, bei dem die in der Wicklunginduktivität gespeicherte tnergie in Form eines elektrischen Funkens vernichtet würde. Die Spannung, die sich an einem elektrischen Bogen einstellt, wobei dort ionisierte iletal liuoleküle und heiße Gase vorhanden sind, ergibt einen Stromweg, der eine niedrigere elektrische Impedanz haben kann, als der des 2N3773 Transistors, der in einer 160 Volt und zweiten Durchbruchsvernichtungsart arbeitet.

Während dem 150 Mikrosekunden andauernden Teil 447 der Kurve von Figur 6, wird die Energie sowohl von der elektrischen Wicklung 411, als auch von der Induktionsspule 399 entnommen und wird in einem zweiten Durchbruchsvorgang des Transistors Ql, 407, vernichtet. Die Dauer dieser Energievernichtung, das ist die Länge des Kurventeiles 447 in Figur 6, ist abhängig von der Größe der gespeicherten Energie in der Wicklung 411. Wenn z. B. die Spannung über dem Transistor Ql, 407, die vorher erwähnten 160 Volt besitzt und die Induktivität der Wicklung 411 3 Millihenry beträgt, und der ursprüngliche Windungsstrom 5 Ampere war, dann beträgt die anfängliche Strom-

3 änderungsrate, dl/dT, ungefähr 53mal 10 Ampere pro Sekunde und die in der Wicklung 411 gespeicherte Energie sollte in etwa 100 Mikrosekunden entladen sein. Folgend auf die Entladung der in der Wicklung 411 gespeicherten Energie nimmt der Strom in dem Transistor Ql, 407 von dem Wert 10 Ampere, der vorhanden war, als sowohl die Induktionsspule 399, als auch die Wicklung 411, Strom in den Schaltungspunkt 405 lieferten, auf einen Stromwert in der Nähe von 5 Ampere ab. Die Abnahme des Stromflusses Im Transistor

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Ql, 407, die aus einer Abnahme der Spannung über dem Transistor Ql entstand, wird in dem Teil 449 der Kurve in Figur 6 gezeigt.

Eines der wichtigen Merkmale der Schaltung; in Figur 5 ist, daß die Auswahl der Induktionsspule 399 derart getroffen wurde, daß sie eine Induktivität, die viel größer ist, als die Induktivität der Wicklung 411, itodurch genügend Energie in der Induktionsspule 399 gespeichert ist, daß folgend auf die völlige Entladung der Wicklung 411 die Energie aus der Induktionsspule 399 sofort und automatisch einen entgegengesetzt gerichteten Strom in der Wicklung 411 erzeugen kann. Dieser entgegengesetzt gerichtete Strom ist in der Lage, die Restmagnetismuskomponente des magnetischen Kraftflusses in der Wicklung 411 zu kompensieren und damit den Arbeitspunkt der ferromagnetischen Struktur in dem Motor von Punkt 463 in Figur 4 zu Punkt 467 zu verschieben. Die Notwendigkeit dieser Energiespeicherung für einen entgegengesetzt gerichteten Strom ist einer der Hauptgründe zum Einbau der Induktionsspulen 399 und 431 in die Schaltung von Figur 5.

Es muß dabei festgestellt werden, daß das Widerstandselement 397 Energie von der Induktionsspule 399 entfernt, sowohl während der Periode, während der Transistor Ql, 407 Energie aus der Schaltung entfernt, als auch während der Periode, wenn die Induktionsspule 399 einen entgegengesetzt gerichteten Strom in der Wicklung 411 einstellt. Daß jedoch die Kombination aus dem Widerstand und dem Transistor 407 nicht vorzeitig die in der 'Induktionsspule 399 verfügbare Energie erschöpfen, ist es erforderlich, Betrachtungen über die Energiemengen die gespeichert werden und über die Energiemengen die

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durch Komponenten der Schaltung vernichtet werden, anzustellen. In der Schaltung nach Figur 5, wo eine Spannungsquelle iiii t 48 Volt Spannung verwendet wird, wurde es als ausreichend gefunden, eine Induktivität von 30 Millihenry oder lümal soviel, wie die der Induktivität von Wicklung 411.für die Induktionsspulen 399 und 431 zu verwenden.

Verschiedene Merkmale machen die Schaltung von Figur 5 besonders geeignet zum Antrieb eines Torsionsschrittschaltmotors. Unter diesen Merkmalen sind die folgenden:

1. Die Schaltung stellt vorher existierende Ströme

ein, die nur von ihrem eingestellten Weg in einem Schaltungspunkt umgeleitet werden, wie in den Schaltungspunkten 437 und 405 in Figur 5 in die Wicklungen des Torsionsschrittschaltmotors, wobei die Umleitung des vorher eingestellten Stromes an die Stelle der üblichen Motorerregungstechnik tritt, bei der ein elektrischer Schaltkreis geschlossen wird und dann darauf gewartet wird, bis der Strom einen gewünschten Wert annimmt. Bei einer Last, die eine Induktivität wie die Wicklung 411 enthält, ist die Verwendung eines voreingestellten Stromes, der durch eine größere Induktivität geregelt wird, ein geschwindigkeitserhöhender Faktor.

2. Die Schaltung nach Figur 5 verwendet die Möglichkeit der Energiespeicherung einer hilfsweise eingebauten elektrischen Induktionsspule, wie z. B. der Spule 399, um über eine lange Zeitperiode die benötigte Energie während vorübergehender Erregungsvorgänge für die Lastwicklung 411 bereitzustellen. Die Energieabgabecharakteristik der Speicherinduktivitätsspule 399 ist fast ideal geeignet für die Erfordernisse der Erregung eines induktiven Lastgliedes, wie der Wicklung 411.

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3. Die Schaltung wirkt soweit, wie die Lastwicklung 411 betrachtet wird, als eine Konstantstromquelle, das bedeutet, sie stellt einen Strom bereit, der eine im wesentlichen von der Spannung, die über der Lastwicklung 411 anliegt, unabhängige Größe der Stromstärke aufweist. Als ein Ergebnis der Energiespeicherungsmöglichkeit in den Induktivitätsspulen 399 und 431, ist die gesamte Versorgungsenergie, die vernichtet werden muß, um eine konstante Stromcharakteristik zu erlangen, viel geringer als sie sein würde in dem Fall, daß übliche Konstantstromquellen zum Erregen der Wicklung 412 verwendet würden, die hohe Spannungen und hohe Serienwiderstände oder dynamische Konstantstromquellen benutzen würden.

4. Die Schaltung von Figur-5 paßt sich ideal an die Anforderungen der schnellen Kraftflußänderung in der Wicklung 411 an, in dem sie sowohl ein Vernichtungsmedium für eine hohe Spannung bereitstellt, als auch eine hohe, entgegengesetzt gepolte Spannungsquelle, die einen hohen entgegengesetzten Stromfluß erzeugt, zum Ausgleich der restlichen magnetischen Kraftflußdichte in der ferromagnetischen Struktur des Motors. Die Umwandlung zwischen der Wirkung als Energievernichtungsvorrichtung und der Wirkung als Energiequelle zur Erzeugung der entgegengesetzt gerichteten magnetischen Feldstärke geschieht automatisch und genau zu dem Zeitpunkt, wenn die Energie der Belastungswicklung 411 erschöpft ist. Sofort nach der Vernichtung der in der Wicklung 411 gespeicherten magnetischen Energie erzeugt die über dem Transistor Ql, 407 voreinge- ,stellte Spannung in der Wicklung 411 einen entgegengesetzt gerichteten Strom zum Kompensieren des Restmagnetismus in der ferromagnetischen Struktur des Schrittschaltmotors.

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Diese Umkehrung der Stromrichtung stellt ein Umleiten eines Teils der Energie von der Induktionsspule 399 und von der Vernichtungsvorrichtung des Transistors Ql, 407 in die Wicklung 411 dar.

5. Die Schaltung von Figur 5 kombiniert das erforderliche Energievernichtungselement und das erforderliche elektrische Schaltelement in einem einzigen Element, das besonders wünschenswerte elektrische Eigenschaften aufweist, wobei die Vernichtung zum größeren Teil bei konstanten Spannungsbedingungen als bei der lagsameren konstanten Widerstandsbedingung stattfindet.

6. Die Schaltung von Figur 5 ermöglicht die Umkehrung eines 5 Ampere Stromflusses in einem hochinduktiven Schaltkreis und führt diese Umkehrung In zehntel von Millisekunden aus, 1m Gegensatz zu bisher üblichen Zeitspannen von mehreren Millisekunden.

7. Mit Hilfe der Filterwirkungen der Induktionsspulen 399 und 431 stellt die Schaltung nach Figur 5 eine Stromversorgung dar, die frei von Schaltvorgängen und starken Stromänderungen ist, die normalerweise bei einem Schrittschaltmotor vorhanden sind. Die Belastung, die durch einen Schrittschaltmotor,der in Verbindung mit dem Schaltkreis von Figur 5 betrieben wird, ausgeübt wird, ist deshalb beinahe konstant und frei von Übergangsbedingungen, so daß der Betrieb des Schrittschaltmotors, der Abtastlogik und der Verstärkungsschaltkreise einer Geschäftsmaschine von derselben Stromversorgung aus möglich ist.

8. Die Energievernichtungsmöglichkeit der Elemente von Figur 5 wie der Widerstände 397 und 429, 1st groß genug, um eine gute Dämpfung für den Schrittschaltmotor, dem die

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Wicklung 411 zugeordnet ist, zu erreichen. Schwingungen des Rotors um eine erreichte Schrittposition klingen schnell ab, wenn der Schrittschaltmotor der vorliegenden Erfindung durch die Schaltung von Figur 5 angetrieben wird» da die elektrische Dämpfung, die durch die Widerstände 397 und 429 erreicht wird, schnell die mechanische Energie vernichtet, die die Schwingungen antreibt. Die mechanische Schwingungsenergie wird durch die großen magnetischen Kraftflußänderungen, die in den Rotor- und Statorpolen des Motors während der relativen Bewegung der beinah ausgerichteten Rotor- und Statorpolpaare in die Widerstände 397 und 429 eingekoppelt. Die Widerstände 397 und 429 können entweder punktförmige Widerstandselemente oder die Innenwiderstände der Induktionsspulen 399 und 431 sein, in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften der ausgewählten Induktionsspulen.

9. Die Schaltung von Figur 5 kann mit anderen Transistoren als 2N3773 verwendet werden und mit ähnlichen Elementen, die die Möglichkeit besitzen, daß ein zweiter Durchbruchsvorgang durch das Anschließen eines Enrgievernichtungselementes zwischen dem Schaltungspunkt 405 und Hasse und auch zwischen dem Schaltungspunkt 437 und Hasse 410 auftritt. Dieses Energievernichtungselement kann von der Art einer Zenerdiode oder eines elektrischen Widerstandes sein, es muß jedoch festgestellt werden, daß ein elektrischer Widerstand nicht die Konstantspannungsenergievernichtungscharakteristik, die in Figur 5 gezeigt wird, aufweist und dadurch eine etwas langsamere Entfernung der Energie von der Wicklung 411 durchführt. '

10. Die elektrische Filterwirkung der Induktionsspulen 399 und 431 vermeidet die Notwendigkeit, den Schrittschalt-

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motor mit der zugeordneten Wicklung 411 mit einer genau regulierten und gefilterten direkten Energiequelle zu erregen. Jegliche Welligkeit und jegliche Spannungsschwankungen der Leistungsversorgung, die an den Anschlüssen 395 und 425 der Schaltung von Figur 5 vorhanden sind, werden größtenteils durch die Induktivität der Spulen und 431 ferngehalten und werden deshalb nicht das Arbeitsdrehmoment des Schrittschaltmotors und der zugehörigen Wicklung 411 beeinflussen.

11. Die Energievernichtung der Schaltung von Figur wird durch übliche energievernichtende Elemente, wie die Transistoren 407, 439 und die Widerstände 397 und 429, bewirkt. Diese Vernichtungselemente brauchen keine verstärkte Luftkühlung oder andere schwerfällige Energiehandhabungsvorrichtungen erfordern, trotz der relativ großen Energiemengen, die von dem gnazen Schrittschaltiiiotor abgegeben werden, da diese Elemente üblicherweise durch natürliche Konvektion und große Oberflächenstrukturen gekühlt werden.

IZ. Die Schaltung von Figur b stellt eine einfache Vorrichtung bereit, um sicherzustellen, daß die ferromagnetische Struktur, die der Wicklung 411 zugeordnet ist, immer auf einen Arbeitspunkt eingestellt wird, der sehr nahe an dem Punkt liegt, bei dem der restliche magnetische Kraftfluß gleich Null ist, das bedeutet in die Nähe des Punktes 467 in Figur 4, während der Periode der umgekehrten Stromrichtung. Die Schaltung von Figur 5 ermöglicht die genaue Bestimmung des Arbeitspunktes 467, in dem die exakte Beendigung des umgekehrten Stromflusses ermöglicht wird, bei dem die Energie aus der Induktionsspule 399 dem restlichen magnetischen Kraftfluß in dem Schrittschaltmotor

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entgegenwirkt. Da sich der Strom in der Wicklung 411 nicht augenblicklich aufbaut, ist zum Steuern der Größe des entgegengesetzt gerichteten Stromes der Betrag der entgegengesetzt gerichteten magnetomotorischen Kraft, die an den Motor angelegt wurde, inafSgebend, deren Abschaltung nur.das Unterbrechen des entgegengesetzt gerichteten Stromes nach einem geeigneten Zeitintervall erforderlich macht. Die Beendigung des entgegengesetzt gerichteten Stromes in der Schaltung nach Figur 5 wird durch Einschalten des Transistors Ql, 407 bewirkt.

In Figur 7 der Zeichnungen wird ein-schematisches Diagramm gezeigt, in dem die Schaltung von Figur 5 tatsächlich in den Antrieb eines Schrittschaltmotorseingebaut wurde.

Fortsetzung Seite 38

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Die Schaltung von Figur 7 enthält zwei Anordnungen, die aie Grundschaltung von Figur 5 verwenden, wobei jede dieser Schaltungen auf die drehbare, magnetische Erregungsvorrichtung, die an einein Ende des Schrittschaltir.otors liegt, einwirkt. In der Schaltung von Figur 7 sind die elektrischen Widerstandseleinente 397 und 423 von Figur 5 nicht gezeigt, da diese Widerstände nur dann erforderlich sind, wenn die Induktionsspulen 399 und 431 in Fi&ur 5 einen geringen Gleichstrominnenwiderstand besitzen, wird angenommen, dafr der Innenwiderstand der der Induktionsspulen 136, 149, 159 und 169 (Figur 7) ausreichend groß ist, um die Notwendigkeit der Verwendung von äußeren Widerstandselementen zu vermeiden. Der Teil des Schrittschaltmotors, der bei 135 in Figur 7 gezeigt wird, besteht aus einem in Torsionsrichtung elastischen Wellenglied,157, das an seinen Enden Rotorglieder 145 und Ib5 besitzt, wobei die Statorglieder magnetisch durch die Wicklung 141, bezeichnet als E, und die Wicklung 163, bezeichnet als Wicklung A, erregt weraen. Der Schrittschaltmotor von Figur 7 enthält auch 4 Induktionsspulen 136, 149, 159 und 169, die entsprechend als LhI, LE2, LAl und LA2 bezeichnet werden und vier elektrische Schaltelemente 139, 153, 161, 171, die als Schalter 1, Schalter 2, Schalter 3 und Schalter 4 bezeichnet werden, wobei der Übergang zwischen der Induktivität 136 und dem Schaltelement 139 als Schaltungspunkt 137 und der Übergang zwischen der Induktivität 149 und dem Schaltelement 153 als Schaltungspunkt 151 bezeichnet ist und mit der Wicklung 141, die zwischen den Schaltungspunkten 137 unci 151 angebracht ist und mit einer ähnlichen Anordnung der Induktivitäten, der Schaltelemente und der Spulenverbindungen ist die Wicklung 163 aufgebaut und wirkt auf den Rotor 165. Die Erregungsleistung für aen Schrittschaltmotor bei 135 von Figur 7 wird als Gleichstromenergie zugeführt, die an die Anschlüsse 147 und iiasse 155 angelegt wird, wobei an den Anschluß 147 48 Volt positive Spannung angelegt werden. Die elektrischen Schaltelemente 139, 153, 161 und 171 sind als bipolare ilPN Leistungstransistoren in Figur 7 gezeichnet, wobei bei jedem dieser Transistoren der Emitter an Hasse 155 liegt, der Kollektor an eine der Induktivitäten 136, 149, 152, 169 und an die nichtangeschlossene Basiselektrode an eine geeignete Schaltung

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angelegt v/erden. Die Signale 183, 185, 197 und 201, die bei 177 in Figur 8 gezeigt v/erden, legen die eingeschalteten oder leitenden Intervalle und die ausgeschalteten oder nicht-leitenden Intervalle für die elektrischen Schaltelemente 139_B 153, 161 und 171 entsprechend fest.

Die Pfeile 173 und 175 von Figur 7 definieren die Vorwärtsstromrichtung in jeder der Hotorwicklungen 141 und 163₉ wie sie durch die Signale 185 und 197 gezeigt werden. Zu einem großen Teil der Zeit des Motorarbeitszykluses fließen diese Ströme in Vorwärtsrichtung, das besagt, daß die Ströme in Vorwärtsrichtung in der Wicklung 141 solange fließen, wie das elektrische Schalte element 153 eingeschaltet ist, wie es durch das Signal 185 gezeigt wird, und das elektrische Schaltelement 139 ist ausgeschaltet, wie es durch das Signal 183 gezeigt wird₉ wobei für die Ströme in Vorwärtsrichtung in der Wicklung 163 eine ähnliche Beziehung zwischen den Signalen 197 und 201 besteht.

An der linken Seite von Figur 8 wurde angenommen» daß sowohl der Rotor 145, als auch der Rotor 165 des Motors sich in einer ausgerichteten Schrittstellung befinden. Diese Periode ist durch die Signale links von der Zeitrr.arke 179 in Figur 8 dargestellt, beginnend an der Zeitmarke 179 wird das elektrische Schaltelement 171 eingeschaltet, und das elektrische Schaltelement 161 ist ausgeschaltet. Diese Vorgänge beenden den Stror.ifTu,'} in Vorwärtsrichtung in der Wicklung 163 und ergeben die Bedingungen, damit der Strom in der wicklung 163 in entgegengesetzter Richtung flieiSen kann, un den Rotor 165 von seiner magnetischen Verbindung mit dem Stator 167 freizugeben. Während des Zeitintervalls 199, das ein Teil des Signals 197 in Figur 8 ist, ist das elektrische Schaltelement 161 ausgeschaltet, während das elektrische Schaltelement 171 eingeschaltet ist. Während dieses Teiles des Arbeitszykl.uses induziert die in der Induktivität 159 gespeicherte Energie einen entgegengesetzt gerichteten Strom in der Wicklung 163 und gibt somit den Rotor 165 zur Beschleunigung unter dem Einfluß des vorher durch Verdrehen vorgespannten Torsionswellen-

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gliedes 157, frei. Auf das Zeitintervall 199 des Signals 197 folgt ein kurzes Zeitintervall während des Andauerns des Zeitintervalls 203 in dem Signal 201, bei dem beide elektrische Schaltelemente 161 und 171 eingeschaltet sind. Während dieses Zeitintervall fließt kein äußerer Strom in der Wicklung 163 aufgrund der Tatsache, daß beide Enden davon an Masse 155 gelegt sind und sich keine Potentialdifferenz zwischen den Wicklungsenden ausbilden kann. Wie bei 197 gezeigt wird, kann das Zeitintervall 199 als eine Zeitspanne angesehen werden, in der der Rotor 165 von seiner Verbindung mit dem Stator 167 freigegeben wird, während die verbleibende Zeitperlode des Intervalls 203 als die Zeit angesehen werden kann, bei der der Rotor 165 sich unter dem Einfluß des Torsionswellengliedes 157 drehen kann. Der tatsächliche Punkt, an dem die Drehung des Rotors 165 beginnt, kann entweder vor oder nach Ablauf des Zeitintervalls 199 liegen.

Auf das Ende des Zeitintervalls 203 folgend, ist das elektrische Schaltelement 161 eingeschaltet, während das elektrische Schaltelement 171 ausgeschaltet ist. Das sind die Bedingungen für einen in Vorwärtsrichtung gerichteten Stromfluß in der Wicklung 163 und zur Wiedererstellung des magnetischen Kraftflusses, der den Rotor 165 in seine neu erreichte Drehstellung zieht und ihn in dieser neuen Position hält, während der Rotor 145 freigegeben wird und in eine neue Stellung durch die zur Zelt 181 beginnenden Vorgänge gedreht wird, wobei diese Vorgänge die Zeitintervalle 187 und 189 der Signale 183 und 185 entsprechend einschließen.

Die gestrichelte Linie bei 191 zeigt an, daß das Halten des Rotors 145 für eine nicht-de£_Jnierte Zeitperiode andauern kann, in dem Fall, daß die Signale, die an diesen Schrittschaltmotor angelegt wurden, eine Beendigung der Schrittvorgänge anzeigen, während es durch die Drehung des Rotors 145, die zum Zeitpunkt 181 beginnt, es tatsächlich so ist, daß die Schrittbewegung des Motors auf eine Drehung einer der Rotoren 145 und 165 gehalten

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werden kann, so daß die gestrichelte Linie, die bei 191 gezeigt wird (Figur 8), auch gut links des Zeitpunktes 181 auftreten könnte, um die Bedingung bei der die Drehung des Motors abzubremsen war, nachdem eine Drehung des Rotors 165 erfolgt war, anzuzeigen. Bei diesen Vorgängen, die zum Zeitpunkt 193 und 195 beginnen (Figur 8) und beliebige Anzahlen von Schrittzyklen anzeigen können, wobei der Rotor 145 und der Rotor 165 sich abwechselnd in dem beschriebenen Zyklus bewegen, der dem Schrittschaltmotor eingeprägt werden kann, kann der Motor fortlaufend jede gewünschte Anzahl von vollständigen Umdrehungen durchführen, wobei jede aus einer Anzahl von einzelnen Schrittvorgängen wie oben beschrieben, besteht.

Die Funktionsfolge, die in Figur 8 gezeigt wird, setzt voraus, daß beide Wicklungen 141 und 163 während langer Perioden des Motorstillstands erregt bleiben, da das Aufrechterhalten der beiden Wicklungen in einem erregten Zustand den Vorteil bietet, daß der Motor in der Lage ist, jederzeit eine aufeinanderfolgende Schrittbewegung einzuleiten, doch es ist nicht unbedingt notwendig im Hinblick auf die Tatsache., daß das Erregen nur einer dieser Wicklungen für die meisten Antriebserfordernisse genügend genau eine Schrittposition definiert. Bei Anwendung des Schrittschaltmotor, bei denen nur eine geringe Leistung aufgenommen werden soll, kann der Motor auch mit nur einer dieser Wicklungen im erregten Zustand und mit der anderen Wicklung im aberregten Zustand und mit dem Torsionswellenglied 157 in einem entspannten Zustand gehalten werden. Der erste Vorgang nach einer Halteperiode, bei der nur eine einzige Wicklung des Schrittschaltmotors erregt worden war, ist, natürlich das Wiedererregen der aberregten Wicklung und damit das Vorspannen des Torsionswellengliedes 157 in Drehrichtung. Dieser Schritt ist jedoch unnötig, wenn der Motor in Ruhe gehalten wird, während beide Wicklungen erregt sind und das Torsionswellenglied verdreht ist. Die in Figur 7 gezeigte Schaltung kann durch Ersetzen der Transistoren 153 und 161 durch einen einzigen Transistor und durch Entfernen der Induktionsspulen 149 und 159 verändert werden. Obwohl die verringerte Anzahl

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von elektrischen Bauelementen, die für diese geänderte Schaltung erforderlich ist, aus Kostengründen und für die Kleinheit des Schrittschaltmotor wünschenswert ist, ist es eine ungünstigere Ausführungsform des Torsionsschrittschaltmotors, wenn er durch diese abgeänderte Schaltung erregt wird, da die Arbeitsweise der Rotor-Stator-Kombination nicht vollständig unabhängig ist von Vorgängen, die in der anderen Rotor- Stator-Kombination auftreten.

Als ein Beispiel für die feststellbaren Vorgänge in der Schaltung von Figur 7 oder der erwähnten abgeänderten Schaltung, wird die elektrische Zeitkonstante eines Schrittschaltmotors, der mit der Schaltung von Figur 7 verwendet wird ausgeführt, das ist das Verhältnis der Induktivität zum Ohm'schen Widerstand für die Motorwicklungen, sie beträgt ungefähr 3 Millisekunden. Diese 3 Millisekunden ist auch die Zeit, die von dem Wicklungsstrom benötigt wird, um auf 622> seines Endwertes anzusteigen, wenn der Motor an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen wird. Um den Wicklungsstrom von 62%. des Endwertes auf eine etwa dem Endwert entsprechenden Größe zu erhöhen, 1st zusätzlich das Vierfache der Zeitkonstanten oder 12 Millisekunden, erforderlich, was mit dem allgemeinen Prinzip übereinstimmt· daß eine exponentiell ansteigende Größe ihren Endwert nach dem Fünffachen ihrer Zeitkonstante einnimmt. Wenn die gleiche Wicklung mit einer drei Millisekunden dauernden Zeltkonstante durch die Schaltung nach Figur 7 erregt wird, wurde es als möglich gefunden, eine volle Umkehr des Stromes zu erreichen, das bedeutet einen Wechsel von +5 zu -5 Ampere in ungefähr 500 Mikrosekunden. Die 500 Mikrosekunden dauernde Zeit für die Stromänderung läßt sich mit einer 2 1/2 Millisekunden andauernden Zeit , die zur mechanischen Bewegung des Rotors des erregten Schrittschaltmotors in eine neue Schrittposition benötigt wird, vergleichen.

Die Wichtigkeit der Möglichkeit mit dem zweiten Durchbruch in den elektrischen Schaltelementen von Figur 7 zu arbeiten, "kann

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dadurch abgeschätzt werden, daß sofort nach dem Abschalten eines elektrischen Schaltelements dorthinein ein Strom von 10 Ampere fließt und über dem Schaltelement eine Spannung von 160 Volt als Ergebnis dieses Stromflusses entsteht. Unter diesen Bedingungen trägt die momentane Leistungsverpichtung in dem als elektrisches Schaltelement verwendeten Transistors 1600 Watt-, außerdem ist die Dauer für die Vernichtung der 1600 Watt ungefähr 150 MikroSekunden, wie es Figur 6 zeigt. Während dieser 150 MikroSekunden muß der Transistor im wesentlichen 1/4 eines Joules Energie aufnehmen und vernichten. Da Transistoren, die für zweite Durchbruchsvorgänge Verwendung finden, durch Joule-Angaben gekennzeichnet sind, stellt diese hohe benötigte Energievernichtung kein Problem für die Ausführung der Erfindung dar.

Bei der Beschreibung der Schaltung nach Figur 5 wurde die Verwendung eines Transistors, wie des durch 2N3773 für die elektrischen Schaltelemente bei 407 und 439 wiederholt empfohlen worden, da Transistoren besonders häufig als elektrische Schaltelemente verwendet werden, besonders im Hinblick auf die Möglichkeit, sie in dem Bereich, in dem eine hohe Energievernichtung durch die zweite Durchbruchsarbeitsweisei' arbeiten zu lassen. Es ist jedoch verständlich, daß auch andere Formen von elektrischen Schaltelementen an den Stellen 407 und 439 verwendet werden können, wenn diese anderen Elemente selbst diese Energievernichtungsmöglichkeit des Transistors aufweisen, oder zusätzliche Schaltelemente aufweisen, urn die Möglichkeit der Energievernichtung verfügbar zu machen. Andere Ausführungen des elektrischen Schaltelements können aus mechanischen Schaltern bestehen, wobei die Vernichtungsmöglichkeit im Aufrechterhalten eines elektrischen Lichtbogens über den geöffneten Schalterkontakt oder in einem zu den mechanischen Kontakten parallel geschalteten Element, wie z. B. einer Selendiode, besteht. In manchen Motoranwendungen kann das elektrische Schaltelement eine Vakuumröhre oder ein gasgefülltes Bauelement,"-wie eine Glimmröhre oder eine mit Quecksilber gefüllte Vakuumröhren Das Schaltelement kann auch

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ein schaltendes Halbleiterbauelement sein, wie z. B. ein gesteuerter Siliziumgleichrichter.

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Claims

Patentansprüche;

Vorrichtung zum Auf- und Abbau eines magnetischen Flusses in einer elektromagnetischen Spule, dadurch gekennzeichnet, daS die Anschlüsse der Spulenwicklung (411) jeweils an Verbindungspunkten (405, 437) von aus je einer Schaltvorrichtung (407, 439) und einer Induktivität (399, 431) mit höherem Induktivitätswert als die Spule (411) bestehenden Reihenschaltungen liegen, wobei die Induktivitäten (399, 431) mit dem gleichen Pol (+V) einer Spannungsquelle verbunden sind und zum Aufbau des magnetischen Flusses die eine der Schaltvorrichtungen (407, 439) geschlossen und die andere geöffnet wird und zum Abbau des magnetischen Flusses die eine der Schaltvorrichtungen (407, 441) geöffnet und die andere geschlossen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß "die Schaltvorrichtungen (407, 439) Transistoren enthalten, deren entsprechende Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe mit jeweils einem der Verbindungspunkte und der Potentialquelle (V) geschaltet sind, daß die Transistoren (407, 439) mit Hilfe von Schaltsignalen, die an ihre Basen angelegt werden, gesteuert werden, und der eine Transistor (407)nichtleitend gemacht wird, um magnetischen Fluß aus der elektromagnetischen Spule (411) zu entfernen, wobei die in der Spule (411) gespeicherte Energie in dem einen Transistor (407) infolge Durchbruchsleitfähigkeit vernichtet wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktivitätswert jeder der Induktivitäten (399, 431) lOmal größer ist, als der Induktivitätsviert der Spule, (411).

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4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule eine Erregungswicklung (60) für einen Stator (22, 24) und einen mit 1hm zusammenwirkenden Rotor (26) eines elektromagnetischen Schrittschaltmotors bildet.

5. Elektrischer Schrittschaltmotor, der erste und zweite Vorrichtungen nach Anspruch 4 enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotore (26, 36) der ersten und zweiten Vorrichtung durch ein torsionsartig elastisches Koppelglied (30) miteinander verbunden sind.

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