DE2753396A1

DE2753396A1 - Stellmotor

Info

Publication number: DE2753396A1
Application number: DE19772753396
Authority: DE
Inventors: Noboru Masuda; Masakazu Sugimoto
Original assignee: Denki Onkyo Co Ltd
Current assignee: Denki Onkyo Co Ltd
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1978-06-08
Also published as: CA1077554A; US4276499A; GB1596394A

Description

Stellmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich hierbei um ein Dreh-Betätigungsorgan mit einem um einen gegebenen Winkel innerhalb festgelegter Grenzen in gewünschter Richtung verdrehbaren Permanentmagnetrotor zur Anwendung beispielsweise bei der Steuerung der Nadelstellung oder des StoffVorschubs einer Nähmaschine, zum Antrieb eines Galvanometers oder zum Antrieb eines Schreibers mit nachgeführtem Schreibstift'.

Es ist bereits ein Stellmotor bekannt, der nach dem Prinzip eines Drehspul-Meßanzeigers arbeitet. Der Stellmotor umfaßt zwei Spiralfedern, die am Rotor befestigt sind und auf ihn so einwirken, daß sie im ausgewogenen Ruhezustand eine neutrale Stellung des Rotors festlegen und, wenn sich der Rotor winkelmäßig in gewählter Richtung aus der neutralen Stellung herausbewegt, ein dem Treibmoment entgegenwirkendes Steuermoment erzeugen. Der Zwang des Rotors in seine neutrale Stellung ist jedoch in nachteiliger Weise unstabil, so daß keine günstige Reaktion zu erhalten ist. Wird außerdem eine Servosteuerung des Rotors verlangt, so muß auf der Rotorwelle ein Permanentmagnet zum Zusammenwirken mit einem Potentiometer montiert werden. Dieser Permanentmagnet ist jedoch schwer mit hoher Genauigkeit anzuordnen.

Demgegenüber soll durch die Erfindung ein Stellmotor mit einem Permanentmagnetrotor geschaffen werden, der ohne Zurhilfenahme von Spiralfedern in seiner neutralen Stellung gehalten werden kann und ein Steuermoment erzeugen kann, das einem an den Rotor angelegten Treibmoment entgegenwirkt. Dies wird durch die im Patentanspruch gekennzeichnete Erfindung erreicht, durch die es weiterhin möglich ist, daß der Stellmotor hinsichtlich des Drehmoments so reagiert, daß der Unterschied des Drehmoments zwi-

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sehen der neutralen Rotorstellung und bei der Verdrehung um den maximalen Winkel sehr klein ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung einen Querschnitt durch einen Motor in einer Normalebene zur Rotorachse;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Rotors nach Fig. 1;

Fig. 3 eine grafische Darstellung eines an eine Antriebsspule anlegbaren Spannungssignals;

Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Draufsicht auf Sensoren des Stellmotors nach Fig. 4; Fig. 6 einen Schaltplan einer Treiberschaltung;

Fig. 7 eine grafische Darstellung des Drehwinkels und des Drehmoments des Rotors in Abhängigkeit von der an den Stellmotor angelegten Steuerspannung;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform des Stellmotor-Stators; und

Fig. 9 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführung des Stellmotor-Rotors.

Ein erfindungsgemäßer Stellmotor nach Fig. 1 umfaßt einen hohlen Stator 10 aus magnetischem Material wie Siliciumstahl. In seinem Innenraum enthält der Stator 10 zwei Haupt-Magnetpole 11,12 und zwei Hilfs-Magnetpole 17, 18. Diese Pole bilden.eine zylinderförmige, im Querschnitt kreisförmige Kammer,innerhalb der

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ein Rotor 30 angeordnet ist. Im Bezug zu diesem Rotor 30 sind die Hauptpole 11, 12 einander diametral gegenüberliegend angeordnet. Zu jedem von ihnen gehört ein Polschuh, der sich um einen Teil des Umfangs des Rotors 30 unter Freilassung eines Magnetspalts g₁ dazwischen erstreckt. Am Grund der Hauptpole ist jeweils eine Treibspule 13 bzw. 14 angeordnet. Diese Spulen sind parallel zueinander zwischen Klemmen 15, 16 geschaltet und an sie wird ein Spannungssignal beispielsweise gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Verlauf angelegt, das von einer später im einzelnen beschriebenen Treiberschaltung nach Fig. kommt, wodurch die beiden Hauptpole 10, 11 mit gleicher Polarität erregt werden.

Auch die beiden Hilfspole 17, 18 liegen einander in Bezug zum Rotor 30 diametral gegenüber, sie sind jedoch gegenüber den Hauptpolen 11, 12 um 90 versetzt. Die Pol-Stirnseite jedes der Hilfspole 17, 18 ist vom Rotor 30 durch einen Magnetspalt g₂ getrennt, der die gleiche Breite wie der Magnetspalt g. hat. Die Stirnseite der Hilfspole ist mit einer Nut versehen, die sich in der Axialrichtung des Rotors 30 erstreckt.

Der Rotor 30 umfaßt eine Welle 19 aus nichtmagnetischem Material wie Aluminium, auf der eine erste Hülse oder Trommel 20 aus paramagnetischem Material wie reinem Eisen sitzt, auf der wiederum ein hohler Zylinder 21 sitzt, der aus ferromagnetischem Material wie Strontiumferrit besteht. Die Umfangsflache des Zylinders 21 ist in magnetisierte Zonen 22, 23, 27 und und nichtmagnetisierte Zonen 24, 25, 26 und 29 eingeteilt, die einander um den Umfang abwechselnd verlaufen. In den Fig. 1 und 2 sind die magnetisierten Zonen zur leichteren Unterscheidung punktschraffiert. Die magnetisierten Zonen 22, 23 sind verhältnismäßig breit und die als magnetisierte Hilfszonen dienenden Zonen 27, 28 sind verhältnismäßig schmal. Die erste nichtmagnetische Zone 24 liegt zwischen den beiden magnetisierten Hauptzonen 22, 23, die zweite und die dritte der

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nichtmagnetischen Zonen, nämlich 25 und 26, trennen die magnetisierten Hauptzonen 22 bzw. 23 von den magnetisieren Hilfszonen 27, 28 jeweils mit gleichem Abstand und die vierte nichtmagnetische Zone 29 liegt zwischen den beiden magnetisierten Hilfszonen 27 und 28. Die magnetisierten Zonen 22, 23, 27 und ?8 sind so magnetisiert, daß die Außenflächen benachbarter magnetisierter Zonen voneinander unterschiedliche Magnetpole aufweisen. Die erste und die vierte der nichtmagnetischen Zonen, nämlich 24 und 29, enthalten eine gemeinsame Axialebene^des Rotors 30 und die beiden magnetisierten Hauptzonen 22, 23 und die beiden magnetisierten Hilfszonen 27, 28 sind symmetrisch in Bezug zu dieser Ebene angeordnet. Hinsichtlich der Anordnung der Zonen wird auf die Zeichnung verwiesen. Die beiden Hauptzonen 22, 23 und die vierte nichtmagnetische Zone 29 bilden also ein gleichschenkliges Dreieck mit dem Scheitel bei der Zone 29 und die beiden Hilfszonen 27, 28 und die erste nichtmagnetische Zone 24 bilden ein weiteres gleichschenkliges Dreieck mit dem Scheitel bei der Zone 24. Die erste nichtmagnetische Zone 24 ist schmaler als die zweite und die dritte nichtmagnetische Zone 25» 26, sie ist jedoch breiter als die vierte nichtmagnetische Zone 29- Diese beschriebenen Beziehungen der magnetisierten und der nichtmagnetischen Zonen wird bevorzugt, sie ist jedoch nicht notwendig, es können auch die beiden magnetisierten Hilfszonen 27, 28 gleich breit sein wie die magnetisierten Hauptzonen 22, 23 oder die vierte nichtmagnetische Zone 29 kann auch auf die gleiche Breite wie die erste nichtmagnetische Zone 24 verbreitert werden, ohne daS die Funktion der Vorrichtung verlorengeht. Zweckmäßigerwexse sind die zweite und die dritte nichtmagnetisierte Zone 25, 26 breiter als die erste nichtmagnetische Zone 24. Weiterhin sind zweckmäßigerweise die erste und die vierte nichtmagnetische Zone 24, 29 gleich breit wie oder breiter als das Fünffache der Dicke des Magnetspalts g.. zwischen den Haupt-Magnetpol 11, 12 und dem Rotor 30. Diese Beziehungen sind jedoch im Einzelfall anhand von Gesichtspunkten der PoI-

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- 6 fläche der Haupt- und der Hilfspole zu bestimmen.

Wird an diesen Stellmotor kein Spannungssignal angelegt, so tritt eine magnetische Anziehung zwischen dem einen Haupt-Magnetpol 11 und der magnetisierten Zone 22 sowie der magnetisierten Hilfszone 27 auf und außerdem eine gleiche magnetische Anziehung zwischen dem anderen Haupt-Magnetpol 12 und den weiteren magnetisierten Zonen 23 und 28 auf. Außerdem tritt eine magnetische Anziehung zwischen dem Hilfs-Magnetpol 18 und den beiden magnetisierten Hauptzonen 22, 23 sowie außerdem zwischen dem anderen Hilfspol 17 und den beiden magnetisierten Hilfszonen 27, 28 auf. Als Ergebnis dieser magnetischen Wechselwirkungen wird ein Drehmoment erzeugt, das den Rotor 30 fest in seiner in Fig. 1 dargestellten neutralen Stellung festhält.

Wird nun an die Treibspulen 13 und 14 ein Spannungssignal angelegt und werden dadurch die Hauptpole 11, 12 mit gleicher Polarität erregt, so wird ein auf den Rotor 30 wirkendes Treibmoment erzeugt, das den Rotor 30 um einen Winkel verdreht, der der Höhe der Eingangsspannung proportional ist. Hierbei tritt ein dem Treibmoment entgegenwirkendes Steuermoment auf, das dann den Rotor in einer gegebenen Stellung festhält. Wird im einzelnen angenommen, daß die Hauptpole 11, 12 nach Fig. 1 zu Nordpolen erregt werden, so werden die Hilfspole 17, 18 Südpole und der Rotor 30 verdreht sich im Uhrzeigersinn um einen Winkel, der innerhalb eines gegebenen maximalen Grenzwinkels in der Größenordnung von 45 liegt.

Dies sei im einzelnen für das Anlegen eines Spannungssignals gemäß Fig. 3 erläutert. Wird eine Spannung einer Höhe V. an die Treibspulen 13, 14 angelegt, so verdreht sich der Rotor 30 aus seiner neutralen Stellung um einen der Spannung V₁ proportionalen Winkel und bleibt in dieser gewählten Stellung bis zu einer Zeit t.. , zu der die Eingangsspannungshöhe auf V₂ erhöht wird. Der Rotor 30 verdreht sich daraufhin noch weiter und verbleibt dann in dieser erreichten Stellung bis zu einer

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Zeit t₂, zu der eine negative Spannung -V- angelegt wird. Der Rotor 30 verdreht sich daraufhin in entgegengesetzter Drehrichtung durch seine neutrale Stellung und weiter um einen Drehwinkel, der der Eingangsspannung -V_ proportional ist. Diese Winkelstellung hält er von der Zeit tp bis zur Zeit t~ inne, woraufhin er bei Wegnahme der Eingangsspannung in seine neutrale Stellung zurückkehrt.

Bei dieser Beschreibung wurde eine zeitliche Verzögerung, die der Rotor für die Bewegung von einer Stellung in die andere benötigt, zur leichteren Beschreibung vernachlässigt. Der Stellmotor kann winkelmäßig fortschreitend, also inkremental und in gewünschter Drehrichtung in Abhängigkeit von der Polarität und Höhe der Eingangsspannung betrieben werden und kann für die Dauer des Anlegens der Eingangsspannung in der erreichten Position gehalten werden. Bei Unterbrechung der an die Treibspulen 13, 14 angelegten Eingangsspannung kehrt der Rotor 30 von seiner dann eingenommenen Betriebsstellung in die neutrale Stellung zurück, in der er festgehalten wird. Durch ein periodisches und alternierendes Wechseln der Polarität der Eingangsspannung ist es möglich, eine reziprokierende Winkelbewegung des Rotors 30 innerhalb festgelegter Grenzwinkel zu bewirken.

Fig. 7 zeigt grafisch ein typisches Verhalten des Stellmotors. Auf der Abszisse ist die Eingangsspannungshöhe aufgetragen und auf der Ordinate sind der Drehwinkel und die Höhe des Drehmoments aufgetragen. Ersichtlich ändert sich der Drehwinkel A proportional zur Eingangsspannungshöh'e und hat das Drehmoment T in den jeweiligen Betriebsstellungen eine entsprechende Höhe.

Fig. 4 zeigt eine AusfUhrungsform des Stellmotors, bei der der Stator 10 innerhalb, eines Gehäuses aus zwei becherförmigen Gehäusehälften 33, 34 angeordnet ist. Die Welle 19 des Rotors 30 ist durch zwei Lager 31, 32 drehbar gelagert, die in den Gehäusehälften 33 bzw. 34 montiert sind. An einem Ende der Welle 19 ist ein in Axialrichtung des Rotors magnetisierter

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Permanentmagnet 35 befestigt. Gegenüber von einem Pol des Permanentmagnets 35 und in Abstand von diesem sind zwei Magnet-Widerstandseffekt-Elemente 36, 37 angeordnet, die zu einem Potentiometer 39 gehören, das außerhalb der Gehäusehäl'f te 34 über ein'e Abstandsplatte 41 aus magnetischem Material montiert ist. Die Abstandsplatte 41 dient als magnetische Abschirmung, die verhindert, daß vom Rotor 30 und vom Stator 10 bei dessen Erregung ausgehender magnetischer Fluß die Magnet-Widerstandseffekt-Elemente 36, 37 beeinflußt. Die Konstruktion solcher Potentiometer 39 ist an sich bekannt und braucht hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Kurz dargestellt, umfaßt es ein Joch 38 aus magnetischem Material, das die Elemente 36, 37 trägt, und eine Mehrzahl von Stiftklemmen 40, die elektrisch mit den Elementen 36, 37 verbunden sind. Sowohl das Joch 38 als auch die Stiftklemmen 40 sind in einen Harzblock eingegossen .

Fig. 5 zeigt in Draufsicht das Potentiometer 39 zusammen mit einer Projektion hierauf einer strichpunktiert eingezeichneten Polfläche 43 des an der Welle 19 montierten Permanentmagnets 35. Ersichtlich liegt die eine Seite der Polfläche 43 in einer Ebene, die die Achse 42 der Welle 19 enthält, und sind die beiden Magnet-Widerstandseffekt-Elemente 36, 37 punktsymmetrisch in Bezug zur Achse 42 angeordnet. Jeweils einer der beiden Anschlüsse der Elemente 36 und 37 ist mit einer gemeinsamen Klemme 44 verbunden, während die beiden anderen Anschlüsse an die entgegengesetzten Klemmen einer Gleichstromquelle E angeschlossen sind und dieser zweite Anschluß des Elements 37 gemeinsam mit dem Minuspol der Stromquelle E an eine Klemme 45 angeschlossen ist. Wird nun die Welle 19 verdreht, so ändert sich die von der Projektion der Polfläche 43 gedeckte Fläche auf einem der Elemente in komplementärer Weise in Bezug zur Fläche des anderen Elements und die resultierende Potentialdifferenz wirkt sich als elektrisches Signal zwischen den Klemmen 44 und 45 aus, das dem Drehwinkel der Welle 19 proportional ist. Dies Signal

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kann als Rückkopplungs-Servosignal in einer Treibschaltung nach Fig. 6 dienen.

Fig. 6 zeigt .eine bevorzugte Ausführung der Treibschaltung als Teil des Stellmotors. Die Treibschaltung schließt an eine Eingangsklemme 50 an, an die ein Spannungssignal beispielsweise gemäß Fig. 3 angelegt werden kann. Das Eingangssignal kommt zunächst zu einer das Überdrehen verhindernden Schaltung 47 und dann zu einer nichtinvertierenden Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 46, der einen Teil eines Servoverstärkers darstellt. Jedesmal, wenn das Eingangssignal eine gegebene Höhe überschreitet, verkleinert die Schaltung 47 die Signalhöhe und begrenzt dadurch den maximalen Verdrehungswinkel des Rotors 30 im Stellmotor, der hier als Stellmotor 52 dargestellt ist.

An den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 46 wird außerdem ein später beschriebenes, von einem Rückkopplungsverstärker 48 kommendes Signal angelegt. Ein eventuelles Differenzsignal, das zwischen dem über die das Überdrehen verhindernde Schaltung 47 eingespeisten Eingangssignal und dem Servosignal auftritt, wird einem Leistungsverstärker 49 eingespeist, dessen Ausgangssignal an die Treibspulen 13, 14 des Stellmotors 52 über die Klemmen 15, 16 angelegt wird. Wird an die Eingangsklemme 50 zwecks Verdrehungsbewegung des Rotors ein Spannungssignal angelegt, so erzeugt der Permanentmagnet 35 auf der Rotorwelle eine komplementäre Änderung im an die beiden Magnet-Widerstandseffekt-Elemente 36, 37» die diesem Magnet gegenüberliegend angeordnet sind, angelegten Magnetfluß, wodurch an der Klemme 44 ein Signal auftritt, das dem Verdrehungswinkel des Rotors 30 proportional ist. Dieses Signal wird als Servosignal über den Rückkopplungsverstärker dem Operationsverstärker 46 eingespeist. Ersichtlich dauert die Drehbewegung des Rotors 30 an, bis der Unterschied zwischen dem Eingangssignal und dem Servosignal, die dem Operationsverstärker eingespeist werden, beseitigt ist.

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Die weiteren zur Erfüllung der Funktion erforderlichen Einzelheiten der Schaltung nach Fig. 6 sind der Zeichnung zu entnehmen .

Fig. 8 zeigt ein tatsächlich ausgeführtes Beispiel eines Stators 53. Dieser Stator 53 ist integral mit Hilfs-Magnetpolen 54, 55 ausgebildet und weist zwei getrennt hergestellte Haupt-Magnetpole 56, 57 auf, auf die jeweils e'ine Treibspule 58 bzw. 59 aufgebracht sind und die mit dem Stator mit Hilfe von Schrauben 60 bzw. 61 verbunden sind.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines Rotors 62 mit einem Zylinder 63, der durch Zusammenfügung von vier radial magnetisieren anisotropen Magneten, die magnetisierte Zonen 64, 65, 66 und 67 bilden, zusammen mit vier Kunststoffblocken beispielsweise aus Epoxyharz, die nichtmagnetische Zonen 68, 69, 70 und 71 bilden, zu einem integralen Körper gebildet sind. Auf diese Weise sind die magnetisierten Zonen durch die Kunststoffblocke der nichtmagnetischen Zonen 68, 69, 70 und 71 vollkommen voneinander getrennt .

Ein im Rahmen der Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, hergestellter Stellmotor hat einen Rotordurchmesser von 26,4 mm. Auf der Welle ist eine Trommel aus reinem Eisen von 6,4 mm Dicke angeordnet. Vier Permanentmagnete mit anisotropem Ferrit bilden die zwei magnetisierten Hauptzonen und die zwei magnetisierten Hilfszonen und sind in integraler Verbindung mit Kunststoffblöcken angeordnet, die die nichtmagnetischen Zonen darstellen. Die vier anisotropen Ferritmagnete haben gleiche Größe und Gestalt, jeder Magnet ist bogenförmig mit einer Dicke von 7 mm, einer axialen Länge von 15 mm und einer Breite von 12 mm. Die Magnete sind radial magnetisiert. Die die beiden Hauptzonen darstellenden bogenförmigen Magnete haben einen gegenseitigen Abstand von 110 und die die beiden Hilfszonen darstellenden bogenförmigen Magnete haben einen gegenseitigen Abstand von 60°. Der Stator umfaßt zwei Hauptpole

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und zwei Hilfspole, die einander unter einem gegenseitigen Winkelversatz von 90° abwechseln. Die Polfläche jedes der. Hauptpole nimmt einen Winkel von 134° und die Polfläche jedes der Hilfspole einen Winkel von 40° in Bezug zur Rotorachse ein. Der Magnetspalt zwischen den Polflächen und dem Rotor mißt 0,4 mm. Die Treibspule auf jedem der Hauptpole weist 350 Windungen von 0,24 mm starkem, polyesterbeschichtetem Kupferdraht auf. Experimentell wurde ermittelt, daß der Rotor des Stellmotors im Vergleich zur neutralen Stellung einen Maximalwinkel von 45° einnimmt und im wesentlichen die Charakteristik nach Fig. 7 zeigt.

Der erfindungsgemäße Stellmotor kann mit Vorteil als Antriebsquelle zum Steuern oder Regeln der Stellung einer Nadel oder eines Stoffvorschubs einer elektronischen Nähmaschine verwendet werden, und zwar auf Grund des in Fig. 7 dargestellten Betriebsverhaltens. Ist im einzelnen das Nähmustersignal auf der Höhe Null, so bleiben die Nadel und der Stoffvorschub mit einem gegebenen Drehmoment in der neutralen Stellung, so daß beim Einsetzen des Nähvorgangs entlang einem rechtwinkligen Weg kein Stellungsfehler bewirkt wird. Wird nach einem gegebenen Muster genäht, so verhindert oder minimalisiert das Ausgehen aus der neutralen Stellung eine Verzerrung des Musters.

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Claims

275339S

Lorenz & Ricdcrcr, Ponfach 1320, D-8035 G»utinR,Z

H5igil4hg_t Anton;Frhr..Riecfaccr von Paar

30. November 1977
d 66-j,.DT

DENK! ONKYO COMPANY, LIMTTED

11, 26, 3-chome,. NTshirnkugro,. Qta—ku,. Takio_r Japan

Pat en t ajispr uch

Stellmotor mit einem fftatror und. einem Rotor, wobei vom Stator .inF den Rotor Stel Ikräfte zur Verdrehung in eine Arbeitsstellung und Rückstellkrä£te zur Rückstellung: in eine neutrale
ο teilung wirken,, dadurrfr ggkenm^reichrret,. daß der Stator (10,53) einen zylindrischen Raunr begn?ienxt und zw-ei einander diametral gegenüberliegende maignetisciJe ffau-ptpale ( TT ,.12,56 _r 57) _r die mit gleicher Polarität magnetisierbar sind_r und' zwei auF diesen
Hauptpolen sitzende Treibspulen (T3,14*58,59·),. für deren Speisung eine Treiberschalttnrg (Fig^6) dient_r aufweist und der
Rotor (30,62) mehrere Paare magnetisierter Zonen (22,23_r27,28, 64 bis 67), die durch nichtmagnetische Zonen (24,25,26,29,68 bis 71 ) getrennt sind,. welcHe alle um den Umfang des Rotors angeordnet sind und wobei von den magnetisierten Zonen jeweils benachbarte mit entgegengesetzter Polarität magnetisiert sind, aufweist..

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