DE2331120A1

DE2331120A1 - Schrittmotor

Info

Publication number: DE2331120A1
Application number: DE2331120A
Authority: DE
Inventors: William Stanley Touchman
Original assignee: NCR Corp
Current assignee: NCR Voyix Corp
Priority date: 1972-06-27
Filing date: 1973-06-19
Publication date: 1974-01-17
Also published as: US3801842A; JPS4951513A; GB1378265A

Description

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

Patentanmeldung Nr,
Unser Az.: Case 1856/GER

SCHRITTMOTOR

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit einem, in sich im wesentlichen starren Rotor, der längs seiner Drehachse zwei mit Abstand voneinander angeordnete, gezahnte Rotorabschnitte aufweist, und mit zwei, je einem der beiden Rotorabschnitte zugeordneten, gezahnten Statorabschnitten, wobei entweder die Zähne des einen Rotorabschnittes zu den Zähnen des anderen Rotorabschnittes oder die Zähne des einen Statorabschnittes zu den Zähnen des anderen Statorabschnittes winkelversetzt angeordnet sind.

Es sind Schrittmotoren bekannt, bei welchen eine Vielzahl von gezahnten Rotorabschnitten (auf einer gemeinsamen Welle) mit einer Vielzahl von gezahnten Statorabschnitten zusammenwirkt. Entweder die Rotorabschnitte oder die Statorabschnitte können um die Drehachse winkelversetzt zueinander angeordnet sein, so daß jederzeit jeweils nur eines der Stator/Rotorpaare ihre Stator- und

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Rotorzähne genau aufeinander ausgerichtet hat, während die anderen Stator/Rotorpaare entsprechend den jeweiligen Versatzwinkeln nicht aufeinander ausgerichtet sind. Eine schrittweise Drehung der Rotorwelle wird durch zyklische Erregung der Statorabschnitte bewirkt. Hierzu dienen normalerweise an sich bekannte elektromagnetische Wicklungsanordnungen, um die Zähne eines jeden Rotorabschnittes nacheinander auf die betreffenden Statorzähne auszurichten.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, mit einer einfachen Steuereinrichtung genau definierte Schrittbewegungen zu erzielen, dies insbesondere auch bei kleinen Schrittwinkeln und bei hoher Schrittfrequenz.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die zwischen den Zähnen des einen Rotorabschnittes und des ihm zugeordneten einen Statorabschnittes und zwischen den Zähnen des anderen Rotorabschnittes und des diesem zugeordneten anderen Statorabschnittes jeweils gleichzeitig eine, magnetische Anziehung bewirkt, und daß der Rotor Steuermittel aufweist, die mit einer Steuereinrichtung derart zusammenwirken, daß sie die genannte magnetische Anziehung zwischen dem einen Rotorabschnitt und dem einen Statorabschnitt einerseits und zwischen dem anderen Rotorabschnitt und dem anderen Statorabschnitt andererseits wechselweise unterbricht und dadurch der Rotor im Betrieb schrittweise gedreht wird.

Eine AusfUhrungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen als Beispiel dargestellt und wird im folgenden mit Bezug darauf beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt eines Schrittmotors nach der Erfindung,

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Fig. 2 eine Teil-Schnittansicht längs der Ebene 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teil-Schnitt längs der Ebene 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht des Rotorabschnittes von Fig. 2 um einen Schritt weitergedreht,

Fig. 5 eine schematische Teil-Schnittansicht des Rotorabschnittes von Fig, 3 um einen Schritt weitergedreht, und

Fig. 6 eine Teil-Schnittansicht längs der Ebene 6-6 in Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Schrittmotor nach der Erfindung weist ein vorzugsweise aus nicht-magnetischem Material bestehendes zylindrisches Gehäuse 10 auf, welches aus Weicheisen oder einem anderen weichen, nicht-magnetischem Material bestehende Buchsen 12 und 14 beherbergt. Die Buchse 12 umschließt eine Statoranordnung 16 und die Buchse 14 umschließt eine Statoranordnung 18, von welchen jede aus einer Vielzahl von Blechen bzw. Lamellen aus weichem, magnetischem Material besteht, die jeweils mit einer Vielzahl von Zähnen 20 bzw. 21 versehen sind. Die Zähne der Statoranordnung 16 sind mit Bezug auf die Zähne der Statoranordnung 18 winkelversetzt angeordnet, wie dies die Figuren 2 und 3 zeigen.

Ein vorzugsweise einstückiger Rotor mit axial wegragenden Endteilen 24 und 26 ist in Kugellagern 28 und 30, die in geeigneten Gehäusen aus nicht-magnetischem Material untergebracht sind, drehbar gelagert, Rotorabschnitte 22 und 23 sind jeweils mit einer Vielzahl von sich längs erstreckenden Zähnen 32 versehen. Die korrespondierenden Zähne der betreffenden Rotorabschnitte sind winkelig zueinander

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ausgerichtet und entsprechen Ti ihrer Anzahl und Konstruktion den Zähnen 20 und 21 der Statoranordnungen 16 und 18. Zwischen den Lamellen der Statoranordnung 16 ist eine Wicklung 40 angeordnet, die den Rotorabschnitt 22 auf der einen Seite eines Abstandselementes 42 umgibt. In gleicher Weise ist zwischen den Lamellen der Statoranordnung 18 eine ähnliche Wicklung 44 angeordnet, welche auf der anderen Seite des Abstandselementes 42 den Rotorabschnitt 23 umgibt.

Der hier als Beispiel beschriebene Motor ist so ausgelegt, daß er fortlaufende Schritte von 15 Grad bzw, 24 Schritte pro Umdrehung ausführt, d.h., die Rotorabschnitte haben jeweils 12 Zähne 32, die auf die 12 Zähne 20 und 21 der Statoranordnungen 16 bzw. 18 ausrichtbar sind und mit diesen im wesentlichen übereinstimmen. Beim Erregen der Wicklung 40 entsteht ein Magnetfluß längs eines durch die Lamellen der Statoranordnung 16 und durch die Buchse 12 führenden Weges, In gleicher Weise entsteht bei Erregung der Wicklung 44 ein durch die Lamellen der Statoranordnung 18 und durch die Buchse 14 gehender Magnetfluß.

In dem Gehäuse 10 ist ein Schlitz 50 gebildet, der sich mit Bezug auf Fig. 1 von links her zu dem Abstandselement 42 hin erstreckt und zwei Aufgaben erfüllt. Zum Einen verhindert er bzw. unterbricht er den einfachen Wirbelstromumlauf, der beim Ansteigen und Fallen des Stromes in der Wicklung 40 erzeugt wird, und zum Andern bildet der Schlitz zusätzlich einen Sitz für einen Keil 52 oder dgl. (siehe Fig. 6), der ein Drehen der Lamellen der Statoranordnung 16 mit Bezug auf das Gehäuse 10 verhindert, wie dies von der Verlängerung des Keiles 52 durch einen in der Buchse 12 gebildeten Schlitz und durch Schlitze in den Lamellen der Statoranordnung zu sehen ist. In gleicher Weise ist das

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Gehäuse 10 mit einem weiteren Schlitz 54 versehen, der sich mit Bezug auf Fig. 1 von rechts her zu dem Abstandselement 42 hin erstreckt und in gleicher Weise einen Wirbelstromfluß verhindert bzw. unterbricht, der jeweils beim Ansteigen und Abfallen des Stromes in der Wicklung 44 erzeugt wird. Der Schlitz 54 bildet einen Sitz für einen Keil 56 oder dgl., der ein Drehen der Lamellen der Statoranordnung 18 mit Bezug auf das Gehäuse 10 verhindert und in ähnlicher Weise mit einem Schlitz in der Buchse 14 und in den Lamellen der Statoranordnung zusammenwirkt. Eine in das Abstandselement 42 eingeschraubte Schraube 58 sichert die Keile 52 und 56 an dem Gehäuse

Beim Betrieb des Schrittmotors werden beide Wicklungen erregt, wie dies die Figuren 2 und 3 zeigen, in welchen eine stationäre Position der Statorzähne 20 und 21 mit Bezug auf die Rotorzähne 32 dargestellt sind. Eine Rotordrehung im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn, in Fig. 1 von links nach rechts gesehen, kann durch die folgenden Betriebsschritte erreicht werden, wobei die Magnetflußlinien in den Figuren 2 und 3 typischerweise durch Linien 60 und 62 angedeutet sind. Die durch den Magnetfluß 60 gegebene Anziehung steht entgegen der durch den Magnetfluß 62 gegebenen Anziehung, so daß sich eine Gleichgewichtsstellung ergibt. Wenn nun die Wicklung 44 derart entregt wird, daß die Kräfte des Magnetflusses 62 schnell auf nahezu Null abfallen, während die Wicklung 40 erregt bleibt, dann beschleunigt und bewegt sich der Rotorabschnitt 22 entsprechend Fig. 2 infolge der Kräfte des Magnetflusses 60 im Uhrzeigersinn um einen Winkelweg von 7 1/2 Grad. Wenn die Rotorzähne 32 mit den Zähnen der Statoranordnung 16 (Fig. 2) fluchtend zu liegen kommen, dann haben sich die Rotorzähne 32 des anderen Rotorabschnittes 23 von den Zähnen der Statoranordnung

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wegbewegt und liegen nunmehr den Nuten gegenüber, die zwischen den Zähnen der Statoranordnung 18 gebildet sind. Im Idealfall wird zu diesem Zeitpunkt die Wicklung 44 wieder erregt und die Rotorzähne 32 werden wieder zu den Zähnen der Statoranordnung 18 hin angezogen» Der Rotor hat sich dabei insgesamt um einen Zahnabstand im Uhrzeigersinn gedreht, wie dies durch die gedrehte Stellung der Rotorzähne'32 mit Bezug'auf die Lamell enzähne 20 und 21 der Statoranordnung in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist. Die Rotorzähne 32 nehmen nunmehr eine mit Bezug auf die Zähne der Statoranordnung 16 um 7 1/2 Grad nach rechts versetzte Stellung ein, so daß der den Linien 60 entsprechende Magnetfluß nunmehr mit Bezug auf Fig. 2 in entgegengesetzter Richtung Anziehungskräfte ausübt. Der Rotor hat somit lediglich durch die Ansteuerung einer Wicklung einen vollständigen Schritt sich weitergedreht.

Wenn anstelle der Wicklung 44 die Wicklung 40 entregt worden wäre, dann hätte sich der Rotor im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Falls jedoch jetzt die Wicklung entregt wird, dann hat dies eine Drehung im Uhrzeigersinn aus der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Stellung heraus zur Folge. Um den Rotor in der einen oder in der anderen Drehrichtung fortlaufend schrittweise zu bewegen, braucht man also lediglich die beiden Wicklungen wechselweise kurz entregen.

Eine einfache Abtasteinrichtung bildet gemäß der Erfindung die Steuerlogik zur Bestimmung, welche Spule zu entregen ist. Bei dem hier beschriebenen Beispiel ist gemäß der Erfindung an dem Rotorendteil 24 ein mit 12 Zähnen versehenes Rad 66 befestigt, das mit einem statischen Aufnahmeelement 68 zusammenwirkt, das seinerseits wiederum mit einem geeigneten, nichtdargestelIten Steuergerät zusammenarbeitet.

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Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Schrittmotors ist die Möglichkeit, einen Zahnversatz vorzunehmen, der geringfügig von dem Halbzahnwinkel von 15 Grad abweicht, beispielsweise 14 1/2 Grad beträgt, so da3 man eine kleine Asymmetrie erhält. Gemäß der Erfindung kann der Rotor gewünschtenfalls in Halbschritten von beispielsweise 7 1/2 Grad im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn gedreht werden. Demzufolge können durch eine Kombination von vollen und halben Schritten 48 Drehstellungen erreicht werden. Ferner kann anstelle der Wicklungen 40 und 44 eine Dauermagnetkonstruktion mit einer elektromagnetischen Kompensationswicklung zur Erregungsunterbrechung verwendet werden. Auch ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Motor in gleicher Weise gut arbeitet, wenn die Zähne der beiden Rotorabschnitte zueinander winkelversetzt angeordnet sind und die Zähne der Statorabschnitte miteinander fluchten; anstelle der dargestellten, miteinander fluchtenden Rotorzähne und der zueinander versetzten Statorzähne.

Zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Einfachheit der Steuerung hat der erfindungsgemäße Schrittmotor den Vorteil, daß er "positiv" betrieben wird, d.h., der Rotor wird zwischen den Schritten jeweils durch magnetische Anziehung gehalten, die auf beide Rotorabschnitte einwirkt.

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Claims

Patentansprüche;

l.\ Schrittmotor mit einem, in sich im wesentlichen

arren Rotor, der längs seiner Drehachse zwei mit Abstand voneinander angeordnete, gezahnte Rotorabschnitte aufweist, und mit zwei, je einem der beiden Rotorabschnitte zugeordneten, gezahnten Statorabschnitten, wobei entweder die Zähne des einen Rotorabschnittes zu den Zähnen des anderen Rotorabschnittes oder die Zähne des einen Statorabschnittes zu den Zähnen des anderen Statorabschnittes winkelversetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (40, 44) vorgesehen ist, die zwischen den Zähnen des einen Rotorabschnittes (22) und des ihm zugeordneten einen Statorabschnittes (16) und zwischen den Zähnen des anderen Rotorabschnittes (23) und des diesem zugeordneten anderen Statorabschnittes (18) jeweils gleichzeitig eine magnetische Anziehung bewirkt, und daß der Rotor Steuermittel (66) aufweist, die mit einer Steuereinrichtung derart zusammenwirken, daß sie die genannte magnetische Anziehung zwischen dem einen Rotorabschnitt und dem einen Statorabschnitt einerseits und zwischen dem anderen Rotorabschnitt und dem anderen Statorabschnitt andererseits wechselweise unterbricht und dadurch der Rotor im Betrieb schrittweise gedreht wird.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewirkung der genannten magnetischen Anziehung den Statorabschnitten elektrische Wicklungen zugeordnet sind, durch welche die Statorabschnitte elektromagnetisch erregbar sind, wobei die genannten Unterbrechungen der magnetischen Anziehung durch Entregung der Statorabschnitte bewirkt werden.

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3. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der genannten magnetischen Anziehung Dauermagnete, und zur Bewirkung der genannten Unterbrechungen der magnetischen Anziehung zwei jeweils dem einen bzw. dem anderen Statorabschnitt zugeordnete Kompensationswicklungen vorgesehen sind.

4. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Rotorabschnitte und die genannten Statorabschnitte alle die gleiche Anzahl von Zähnen haben und daß die Zähne des einen Statorabschnittes in bezug auf die Zähne des anderen Statorabschnittes um einen Winkelabstand versetzt zueinander angeordnet sind, der ungefähr halb so groß ist wie der einzelne Zahn-Winkelabstand·

5. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Steuermittel (66) ein vom Rotor getragenes Zahnrad bzw. Nockenelement ist.

6. Schrittmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Nockenelement (66) die gleiche Anzahl von Zähnen bzw. Nocken aufweist wie der genannte eine Rotorabschnitt und mit einem statischen Aufnahme- bzw. übertragungselement der genannten Steuereinrichtung zusammenwirkt.

7. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Statorabschnitte durch ein ringförmiges Element (42) voneinander getrennt sind, welches zwischen den beiden Rotorabschnitten den Rotor umgibt.

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8. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Statorabschnitte in einem im Motorgehäuse gebildeten Schlitz verkeilt bzw« fixiert ist, der so ausgebildet ist, daß er während des Betriebes den Fluß der Wirbelströme in dem Motorgehäuse unterbricht.

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