DE60008140T2

DE60008140T2 - Kostengünstiger winkelbegrenzter gleichstrom-drehmomentmotor und herstellungsmethode

Info

Publication number: DE60008140T2
Application number: DE60008140T
Authority: DE
Inventors: Edward William RATLIFF; Jay John STARBIRD; Lige Kim COAKLEY
Original assignee: Hr Textron Inc Santa Clarita; Woodward HRT Inc; H R Textron Inc
Current assignee: Hr Textron Inc Santa Clarita; Woodward HRT Inc; H R Textron Inc
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: JP3725475B2; EP1236264B1; JP2003516106A; WO2001041288A1; EP1236264A1; US6300739B1; DE60008140D1; AU1614801A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen bürstenlose Gleichstrom-(DC)-Motoren und insbesondere einen winkelbegrenzten bürstenlosen Gleichstrom-Drehmomentmotor zur Verwendung in pneumatischen Servoventilen und einer Vielfalt anderer Anwendungen.
Stand der Technik
Pneumatische Servoventile werden dort eingesetzt, wo auch immer es einen Bedarf nach Bewegungssteuersystemen mit einem geschlossenen Regelkreis und einer hohen Präzision gibt, wie in der Automobilbauteileprüfung und Herstellung, Halbleiterherstellung, Verpackung, Anlagenbau, industrieller Automation und Robotertechnik, Holzverarbeitung und dergleichen. Winkelbegrenzte Drehmomentmotoren zur Verwendung in pneumatischen Kol-benschieber-Servoventilen weisen üblicherweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor, einen Hallsensor und eine integrierte Steuereinrichtung auf. Der winkelbegrenzte Drehmomentmotor treibt den Ventilschieber durch einen Exzenter an, der in der Motorwelle eingebaut ist. Der Drehvorgang der Motorwelle wird in eine lineare Bewegung des Schiebers übersetzt, die den Gasstrom durch die Steueranschlüsse des Servoventils moduliert. Die Schieberposition wird durch den Hallsensor überwacht, wobei die Steuereinrichtung die Schieberposition mit dem Ventileingangsbefehl vergleicht. Der sich ergebende Unterschied erzeugt ein Stromsignal aus der Steuereinrichtung, das den Ventilschieber zur gewünschten Position treibt.
Herkömmliche bürstenlose Gleichstrommotoren werden in winkelbegrenzten Drehmomentanwendungen verbreitet verwendet und weisen eine zufriedenstellende und zuverlässige Leistung auf, sind jedoch verhältnismäßig kostspielige Komponenten für den Servoventilhersteller, was ein größerer Nachteil ist, da ein bedeutender Anteil des Wiederverkaufspreises eines pneumatischen Servoventils direkt mit den Kosten des integrierten bürstenlosen Gleichstromsmotors verbunden ist. Gleichstrom-Bürstenmotore sind andererseits verhältnismäßig kostengünstig, werden jedoch niemals in solchen Anwendungen verwendet, da Gleichstrom-Bürstenmotoren nicht die Fähigkeit der hohen Zyklenzahl und Hochfrequenz besitzen, die von Servomotoren dieses Typs gefordert wird. Das Problem liegt in der Kommutator/Bürsten-Grenzfläche, wobei die Bürsten/Kommutator-Verbindung beim Gebrauch mit hoher Zyklenzahl und hoher Frequenz unzuverlässig und unpraktisch zu verwenden wird. Kohlenstoffbürsten neigen typischerweise dazu, sich bei Anwendungen mit hoher Zyklenzahl und/oder hoher Frequenz infolge der Reibung zwischen den Bürsten und den Kommutatorsegmenten abzunutzen. Außerdem ist die Bürstensteuerung bei Anwendungen mit hoher Zyklenzahl und winkelbegrenztem Drehmoment ein größeres Problem, wodurch ein komplexer und kostspieliger Steuereinrichtungsschaltungskomplex notwendig sein kann, um das Problem zu überwinden, der jedoch die Kosten des Servomotors weiter erhöhen würde und unerwünscht ist. Daher erhebt sich die Notwendigkeit eines kostengünstigen winkelbegrenzten bürstenlosen Drehmoment-Gleichstromservomotors, der eine zuverlässige Leistung bereitstellen kann, wodurch er eine lebensfähige alternative kosteneffiziente Lösung für Servoventilkunden darstellt. Ein solcher Motor sollte vorzugsweise in sehr kurzer Zeit leicht zusammenzubauen sein und sollte aus verhältnismäßig kostengünstigen, jedoch zuverlässigen Komponenten aufgebaut sein.
US-A-5336956 offenbart einen bürstenlose dynamoelektrische Maschine, die einen herkömmlichen Gleichstrom-Ankeraufbau verwendet. Die Wicklung des Ankers wird modifiziert, indem ein Satz von drei Leitungen zu seiner Spulenringschaltung an Punkten bereitgestellt wird, die um etwa 120° voneinander beabstandet sind. Elektrische Energie wird in diesen Leitungen anstatt in einem Kommutator und Bürstensatz befördert.
EP-A-0384495 offenbart eine Drehantriebsvorrichtung, die aufweist: einen magnetischen Stator, eine Rotorstruktur, die an einer Antriebswelle angebracht ist und mindestens eine elektrische Anstriebsspulenwicklung aufweist, eine Positionsdetektionseinrichtung zum Bereitstellen von Überwachungssignalen, die von der Rotationsposition der Antriebswelle hinsichtlich der Stators abhängen, und eine Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von den Überwachungssignalen betriebsfähig ist, um die Rotation der Antriebswelle innerhalb eines voreingestellten beschränkten Winkelbereichs zu steuern. In einer solchen Vorrichtung sind die Hauptleitungsdrähte der Spule während einer oszillierenden Bewegung des Rotors nicht direkt einer wiederholten Belastung ausgesetzt, so daß die Leitungsdrähte weniger für ein Versagen anfällig sind, die mit einer Ermüdung zusammenhängt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf einen verbesserten winkelbegrenzten bürstenlosen Drehmoment-Gleichstromservomotor gerichtet, der einen hohlen zylindrischen Stator, der eingebettete Permanentmagnete aufweist, und einen Rotor aufweist, der Wicklungsspulen und einen Kommutator mit mehreren Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse angebracht sind, wobei die Verbesserung aufweist: einen Lageraufbau, der nahe dem Kommutator an der Rotorwelle angebracht ist, eine Steuereinrichtung, die zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse als Reaktion auf ein äußeres Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal betriebsfähig mit dem Rotor ver bunden ist, einen Sensor, der zur Abtastung der begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse mit dem Lageraufbau gekoppelt ist, wobei der Sensor ein Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ ist; und eine Schaltung zur elektrischen Kopplung der Steuereinrichtung mit dem Kommutator und des Sensors mit der Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung das Rückführungssignal empfängt und mit dem äußeren Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal vergleicht und ein entsprechendes Rotorbewegungssteuerfehlersignal erzeugt, wobei die Steuereinrichtung das Rotorbewegungssteuerfehlersignal an den Kommutator übermittelt, um die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse zu steuern, wobei die Schaltung mindestens einen Abschnitt aufweist, der sich während des Motorbetriebs in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schaltung eine flexible Schaltung, die mehrere flexible elektrische Leiter aufweist, die zwischen Lagen aus flexiblem Isolationsmaterial eingebettet sind. Die flexible Schaltung weist einen im wesentlichen L-förmigen Vielfachleiterkörper auf, der einen ersten Vielfachleiterarm, der sich zur entfernbaren Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse von einem Ende des Körpers erstreckt, und einen zweiten Vielfachleiterarm aufweist, der sich zur Kopplung mit dem Sensor vom ersten Vielfachleiterarm stromaufwärts, vom Lförmigen Vielfachleiterkörper weg erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur entfernbaren Kopplung an die Steuereinrichtung angepaßt ist. Die Steuereinrichtung ist eine elektronische Schaltkarte, die mindestens ei nen integrierten Impulsbreitenmodulatorschaltungs-(IC)Chip aufweist. Die Schaltkarte weist ferner einen oberflächenmontierten flexiblen Schaltungsverbinder zur Verbindung mit dem anderen Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers der flexiblen Schaltung auf.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Sensor eine Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung zur Kopplung an den angebrachten Lageraufbau und einen ringförmigen Permanenthallmagneten zur Kopplung an die Rotorwelle nahe der Halleffekt-Vorrichtung auf. Der ringförmigen Permanenthallmagnet ist an der Rotorwelle nahe der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung befestigt. Die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung mißt Variationen des magnetischen Flusses, die durch den festen Hallmagneten als Ergebnis der Winkelverstellung der Rotorwelle erzeugt werden, wobei die Halleffekt-Vorrichtung ein entsprechendes Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von der vorbestimmten Rotorwellen-Winkelverstellungsnullstellung repräsentativ ist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbessern der winkelbegrenzten Drehmomentleistung eines Gleichstrom-Bürstenmotors offenbart, der einen Stator, einen Bürstenaufbau und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor Wicklungsspulen und einen Kommutator mit Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse angebracht sind. Das Verfahren weist die Schritte auf:

(a) Bereitstellen eines Gleichstrom-Bürstenmotors,
(b) Entfernen des Bürstenaufbaus aus dem Gleichstrom-Bürstenmotor;
(c) Bereitstellen eines Lageraufbaus, der einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt aufweist;
(d) Anbringen des Lageraufbaus an die Motorwelle naheliegend zum Kommutator, wobei der untere Abschnitt des Lageraufbaus dem Kommutator gegenüberliegt, wobei der Lageraufbau während des Motorbetriebs feststehend ist;
(e) Bereitstellen einer Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung;
(f) Bereitstellen eines ringförmigen Hallpermanentmagneten;
(g) Anbringen des ringförmigen Hallpermanentmagneten an die Motorwelle naheliegend zum oberen Abschnitt des Lageraufbaus;
(h) Befestigen des angebrachten Hallmagneten an der Rotorwelle;
(i) Bereitstellen einer Steuereinrichtung zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse;
(j) Bereitstellen einer flexiblen Schaltung, die einen im wesentlichen L-förmigen Vielfachleiterkörper aufweist, der einen ersten Vielfachleiterarm aufweist, der sich zur elektrischen Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse von einem Ende des Körpers erstreckt, wobei sich ein zweiter Vielfachleiterarm zur elektrischen Kopplung mit der Halleffekt-Vorrichtung vom ersten Vielfachleiterarm stromaufwärts, vom L-förmigen Vielfachleiterkörper weg erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur elektrischen Kopplung mit der Steuereinrichtungsschaltkarte angepaßt ist;
(k) entfernbare Kopplung des anderen Endes des L-förmigen Vielfachleiterkörpers mit der Steuereinrichtung, um während des Motorbetriebs einen elektrischen Kontakt zwischen dem Vielfachleiterkörper und der Steuereinrichtung herzustellen, wobei die Steuereinrichtung einen flexiblen Schaltungsverbinder zur Auf nahme des anderen Endes des L-förmigen Vielfachleiterkörpers aufweist;
(l) Löten des zweiten Armes an die Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Arm und der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung herzustellen;
(m) Klebeanbringen der gelöteten Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung an den oberen Abschnitt des Lageraufbaus naheliegend zum festen Hallmagnet, um während des Motorbetriebs eine Präzisionsabtastung der Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung durch die Halleffekt-Vorrichtung zuzulassen;
(n) Bereitstellen einer Schnappbefestigungshaltekappe zur entfernbaren Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator, und
(o) Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator mit der Schnappbefestigungshaltekappe, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Vielfachleiterarm und dem Kommutator herzustellen, um es zuzulassen, daß die Steuereinrichtung die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse steuert, wobei die Kopplung es zuläßt, daß sich während des Motorbetriebs ein Abschnitt des ersten Vielfachleiterarmes in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.

Die vorliegende Erfindung ist außerdem auf ein Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung zur Verwendung mit einem Gleichstrommotor gerichtet, der einen hohlen zylindrischen Stator, der eingebettete Permanentmagnete aufweist, und einen Rotor aufweist, der Wicklungsspulen und einen Kommutator mit mehreren Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse angebracht sind, wobei das Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung aufweist: einen Lageraufbau, der an der Rotorwelle naheliegend zum Kommutator angebracht ist, eine Steuereinrichtung, die mit dem Rotor zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse als Reaktion auf ein äußeres Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal betriebsfähig verbunden ist, einen Sensor, der zur Abtastung der begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse mit dem Lageraufbau gekoppelt ist, wobei der Sensor ein Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ ist, und eine Schaltung zur elektrischen Kopplung der Steuereinrichtung mit dem Kommutator und des Sensors mit der Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung das Rückführungssignal empfängt und es mit dem äußeren Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal vergleicht und ein entsprechendes Rotorbewegungssteuerfehlersignal erzeugt, wobei die Steuereinrichtung das Rotorbewegungssteuerfehlersignal an den Kommutator übermittelt, um die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse zu steuern, wobei die Schaltung mindestens einen Abschnitt aufweist, der sich während des Motorbetriebs in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden aus einer Besprechung der beigefügten Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine seitliche perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen winkelbegrenzten bürstenlosen Drehmoment-Gleichstromservomotors (ohne den Stator);
2 ist ein perspektivische Vorderansicht des Motors der 1;
3 ist ein Draufsicht einer flexiblen Schaltung, die im erfindungsgemäßen Motor der 1 verwendet wird;
4 ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Motors der 1, der zusammengebaut ist
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Kunststoff-Haltekappe, die im Motoraufbau der 4 verwendet wird; 6 ist ein seitliche perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Motors der 1, mit der Rotorwelle in der Nullstellung;
7 ist eine seitliche perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Motors der 6 während des Betriebs, wobei sich die Rotorwelle in einer Position befindet, die von der Nullstellung versetzt ist; und
8 ist ein Schaltungsdiagramm, das die elektrische Verbindung zwischen der flexiblen Schaltung und den Kommutatorsegmenten des erfindungsgemäßen Motors der 1 zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Im folgenden werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die betreffenden Zeichnungen der 1 – 8 beschrieben. Zusätzliche Ausführungsformen, Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlich werden oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
Die folgende Beschreibung umfaßt die beste gegenwärtig erwogene Art, die Erfindung auszuführen. Diese Beschreibung ist nicht in einem begrenzenden Sinne aufzufassen, sondern wird lediglich zum Zweck der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung vorgenommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kostengünstigen winkelbegrenzten bürstenlosen Drehmoment-Gleichstromservomotor,
der aus einem modifizierten kostengünstigen zweipoligen Standard-Gleichstrom-Bürstenmotor mit einem Rotor und einem Stator, einer Rotorbewegungs-Steuereinrichtung, einer kostengünstigen flexiblen elektrisch leitenden Schaltung, einem kostengünstigen magnetischen Rotorwellen-Winkelverstellungssensor und einer geeigneten Haltestruktur, wie einem Lageraufbau aufgebaut werden kann. Der Stator ist ein üblicher Hohlzylinderkörper mit auf seiner Innenseite eingebetteten Permanentmagneten. Der Rotor weist herkömmliche Spulen, die auf eine Rotorwelle gewickelt sind, und einen Kommutator mit einer Anzahl von Kommutatorsegmenten auf, die konzentrisch längs der longitudinalen Rotorwelle angebracht sind.
Der zweipolige Standard-Gleichstrom-Bürstenmotor wird modifiziert, indem der Bürstenaufbau entfernt wird und an seiner Stelle eine passend gestaltete flexible Vielfachleiterschaltung eingesetzt wird, die zwischen die Steuereinrichtung, den Kommutator und den Sensor gekoppelt wird. Die flexible Schaltung stellt über den Kommutator einen Kanal zur elektrischen Verbindung zwischen der Steuereinrichtung und dem Rotor und einen Kanal zur elektrischen Verbindung zwischen dem Sensor und der Steuereinrichtung bereit. Ein Teil der Schaltung wird zwischen dem Aufbau und dem Kommutator gehalten und biegt sich in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors, ohne die Leistung oder Zuverlässigkeit des Motors zu beeinflussen. Der Rest der Schaltung und der Lageraufbau bleiben während des Motorbetriebs feststehend. Der Lageraufbau hält den Sensor und wird verwendet, um den Motor in einem Gehäuse für ein pneumatisches Servoventil oder dergleichen anzubringen. Der Sensor weist eine herkömmliche Oberflächenmontage- Halleffekt-Vorrichtung auf, die auf einer Seite direkt an einen Abschnitt der flexiblen Schaltung gelötet ist und auf der anderen Seite in den Lageraufbau in der Nähe zu einem ringförmigen Hallpermanentmagneten geklebt ist, der konzentrisch an der Rotorwelle fixiert ist. Der Sensor liefert ein Rückführungssignal an eine Steuereinrichtung, das die tatsächliche Rotorwellen-Winkelverstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Nullstellung betrifft. Die Steuereinrichtung vergleicht das Rückführungssignal mit einem äußeren Befehlssignal und treibt den Rotor (und den Schieber, falls es sich um eine pneumatische Servoventilanwendung handelt) auf die befohlene Position, wenn sie über die flexible Schaltung einen Fehler detektiert. Daher dienen die Steuereinrichtung, der Sensor und die flexible Schaltung als ein Steuersystem mit geschlossener Regelkreis-Rückführung, das während des Betriebs des Servomotors den Rotor über den Kommutator antreibt.
Nun insbesondere auf die 1 – 4 bezugnehmend, wird ein verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor, auf den allgemein durch die Bezugsziffer 2 verwiesen wird, zur vorzugsweisen Verwendung in einem pneumatischen Direktantrieb-Servoventil gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein pneumatisches Direktantrieb-Servoventil weist ein Ventilgehäuse auf, in dem ein (nicht gezeigter) Kolbenschieberaufbau angeordnet ist. Ein winkelbegrenzter Drehmoment-Servomotor 2 ist in der oberen Hälfte des (nicht gezeigten) Ventilgehäuses angeordnet. Der Servomotor 2 weist einen Rotor 4 aus einem üblichen kostengünstigen Gleichstrom-Bürstenmotor auf, der mit einer Welle 6 (4) versehen ist, die sich konzentrisch von ihm erstreckt. Der Rotor 4 weist eine Anzahl Spulen 8 auf, die in einer herkömmlichen Weise auf die Welle 6 gewickelt sind, und einen Kommutator 10, der aus einer Anzahl von Kommutatorsegmenten 12 besteht, die konzentrisch auf der Welle 6 (1) angebracht sind und voneinander isoliert sind. Jede Spule ist über ein Metallkommutatorsegment mit einer benachbarten Spule verbunden, wie in 8 gezeigt. Zum Beispiel ist die Spule 8a über das Kommutatorsegment 12a elektrisch mit der Spule 8b verbunden, die Spule 8c ist über das Kommutatorsegment 12c elektrisch mit der Spule 8d verbunden und so weiter. An die andere (Ventil)-Seite der Welle 6 ist ein Exzenter angebracht, der eine Antriebskugel zum Eingriff in eine Öffnung aufweist, die im (nicht gezeigten) Schieber vorgesehen ist. Bei einer Winkel-Hin- und Herbewegung der Welle 6 um eine Rotorlängsachse 7 (4) bewegt sich die Antriebskugel um die Achse vor und zurück, was bewirkt, daß sich der Schieber in einer Bohrung hin und her bewegt, die im Ventilgehäuse vorgesehen ist, wobei die Rotorwellenrotation (um die Achse 7) in eine lineare Schieberverstellung übersetzt wird, um den Luftstrom durch die Servoventil-Steueranschlüsse zu modulieren.
Der Servomotor 2 ist außerdem mit einem (nicht gezeigten) Stator aus einem üblichen kostengünstigen zweipoligen Gleichstrom-Bürstenmotor versehen, aus dem der Bürstenaufbau entfernt ist. Der Bürstenaufbau wird entfernt, um die Probleme zu überwinden, die mit der Verwendung von Bürsten in Anwendungen mit hoher Zyklenzahl/hoher Frequenz und begrenztem Drehmomentwinkel verbunden sind, wie hier oben beschrieben. Ein Stator dieses Typs weist einen hohlen zylindrischen Körper mit Permanentmagneten auf, die in seine Innenseite eingebettet sind. Der Rotor mit den Spulenwicklungen ist konzentrisch in den Stator eingefügt, wodurch ein verhältnismäßig kleiner Luftspalt zwischen den Spulenwicklungen und den Permanentmagneten auf dem Stator bereitgestellt wird. Die Außenseite des Stators ist durch Klebung an der Innenwand des Ventilgehäuses angebracht. Für gewöhnlich ist eine Rastkerbe sowohl im Stator als auch im Ventilgehäuse vorgesehen, um die Magnetpole des Stators relativ am Gehäuse physikalisch auszurichten.
Wie in 1 gezeigt, ist der Servomotor 2 ferner mit einem oberen Lageraufbau 14 versehen, der konzentrisch auf der Welle 6 über dem Kommutator 10 angebracht ist und vorzugsweise aus Metall besteht. Es ist ein anderer unterer Lageraufbau auf der anderen (Ventil)-Seite der (nicht gezeigten) Welle 6 vorgesehen, der ein Lager aufweist, das auf dem Exzenter angebracht ist. Der Lageraufbau 14 hält den Rotor 4 im Ventilgehäuse und weist verschiedene mechanische Komponenten auf. Insbesondere weist der Lageraufbau 14 einen oberen Abschnitt 14a und einen unteren Abschnitt 14b auf. Der untere Abschnitt 14b liegt dem Kommutator 10 gegenüber und weist ein Lager 16, das eine freie Rotation des Rotors um die Achse 7 im Lager zuläßt, eine Unterlegplatte und eine (nicht gezeigte) Lager-Vorbelastungsfeder auf. Der obere Abschnitt 14a weist eine Lagernabe 17 auf, die im allgemeinen die Form eines Hutes (1-2) aufweist. Die Lagernabe 17 und das Lager 16 sind vorzugsweise über eine gleitsitzförmige Verbindung verbunden, wodurch die Feder eine Kraft, oder Vorbelastung, zwischen der Lagernabe 17 und dem Lager 16 erzeugt, die den Rotor 6 am unteren Lager gegen eine Schulter in der unteren Lagerbohrung des Ventilkörpers drückt, um jedes axiale Spiel infolge von Toleranzen aus dem (nicht gezeigten) Aufbau zu beseitigen. Es ist an jedem Ende der Welle 6 ein Lager erforderlich, um eine Rotation des Rotors um die Achse 7 zuzulassen. Der Lageraufbau 14 sichert den Motor innerhalb des Ventilgehäuses über die Lagernabe 17, die vorzugsweise durch ein Klebemittel und Schrauben am Ventilgehäuse befestigt ist, und daher während des Motorbetriebs feststehend ist.
Die andere Funkton des Lageraufbaus 14 ist es gemäß der besten Art, die vorliegende Erfindung zu praktizieren, einen Halt für eine herkömmliche flexible Vielfachleiter-Schaltung 20 ( 1-2) bereitzustellen, die eine Anzahl flexibler Kupferleiter oder Leiterbahnen 21 enthält, die zwischen Lagen aus flexiblem isolierenden Kunststoff eingebettet sind. Wie in 1 dargestellt, ersetzt die flexible Schaltung 20 (die in dieser Figur in einem freistehenden, nicht betriebsfähigen Zustand gezeigt wird) den entfernten Bürstenaufbau und stellt während des Motorbetriebs eine elektrische Verbindung zwischen dem Kommutator 10 des Rotors 4, einer Steuereinrichtung 22 (1) und einem Rotorwellen-Winkelverstellungssensor 24 bereit. Ein Ende der flexiblen Schaltung 20 ist am Kommutator 10 angebracht und biegt sich (7), wenn die Rotorwelle um die Achse 7 in einer begrenzten Winkelweise rotiert. Eine mittlere Ausdehnung der flexiblen Schaltung 20 ist am Sensor 24 angebracht und das Ende ist mit der Steuereinrichtung 22 verbunden. Die mittlere Ausdehnung und das andere Ende der flexiblen Schaltung bleiben während des Motorbetriebs vorzugsweise feststehend, obwohl sie imstande sind sich zu biegen. Flexible Schaltungen dieses Typs können verhältnismäßig kostengünstig durch Elektronikhersteller im ganzen Land nach Kundenwunsch gefertigt werden und werden in verschiedenen Anordnungen in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet, wie Computer-Festplattenlaufwerken, Scannern, Druckern und dergleichen. Zum Beispiel wurde die flexible Schaltung, die in 3 dargestellt wird, zum Zweck des Testens der vorliegenden Erfindung in einer spezifischen Anordnung durch World Circuit Technology of Simi Valley, California, nach Kundenwunsch gefertigt. Es können abhängig von der beabsichtigten Anwendung andere flexible Schaltungsanordnungen eingesetzt werden.
Der Sensor 24 weist eine herkömmliche Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung (Hallsensor) 26 auf, die drei (nicht gezeigte) Kontaktflächen auf ihrer Oberseite aufweist – zwei der Kontaktflächen dienen zur Stromversorgung und eine Kontaktfläche zur Rückführung. Der Hallsensor 26 ist dazu bestimmt, in einer Aussparung 28 im oberen Abschnitt der Lagernabe 17 befestigt zu werden, die an einen ringförmigen Hallpermanentmagneten 30 angrenzt, der durch Klebung konzentrisch an der Welle 6 angebracht ist. Der ringförmige Hallmagnet 30 weist einen Innendurchmesser auf, der geringfügig größer als der Durchmesser der Rotorwelle 6 ist, und einen Außendurchmesser, der kleiner als der Durchmesser des oberen Abschnitts der Lagernabe 17 ist, die kreisförmig ist und ein hohles Inneres aufweist, um den durch Klebung angebrachten Hallmagneten 30 (2) unterzubringen. Es wird so ein ringförmiger Abstand 32 zwischen der Außenkante des angebrachten Hallmagneten 30 und der Innenfläche des hohlen oberen Abschnitts der Lagernabe 17 geschaffen, um eine freie Rotation des Hallmagneten 30 innerhalb der Lagernabe 17 zuzulassen. Die Hallsensoren sind verhältnismäßig kostengünstige Komponenten und sind verbreitet kommerziell erhältlich. Der Hallsensor 26 ist während des Motorbetriebs feststehend und wird verwendet, Variationen im magnetischen Fluß zu messen, der durch den rotierenden Hallmagneten 30 erzeugt wird, der mit der Rotorwelle um die Achse 7 rotiert. Der Hallsensor 26 gibt ein entsprechendes analoges Spannungssignal aus, das über die flexible Schaltung zur Steuereinrichtung 22 weitergeschickt wird und als Rückführung der tatsächlichen Rotorwellen-Winkelverstellung dient. Wenn sich die Welle 6 in einer begrenzten Winkelweise um die Achse 7 dreht, variiert die Rückführungsspannung sinusförmig relativ zum Rotorwellenwinkel der Verstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung. Beispielsweise wäre ein typischer Betriebsbereich der Winkelverstellung des Rotors 6 um die Achse 7 (-30 Grad, 30 Grad). In einem solchen Fall würde der steilste und annähernd lineare Abschnitt der Kurve für einen Auftragung der Rückführungsspannung als Funktion der Winkelverstellung im (-5 V, 5 V)-Bereich auftreten. Der (-5 V, 5 V)-Bereich ist ein bevorzugter Abtastungs bereich, da er die genaueste Abtastung der Winkelverstellung der Rotorwelle 6 während des Motorbetriebs liefert.
Wie in 1 gezeigt, ist die Steuereinrichtung 22 eine herkömmliche und verhältnismäßig kostengünstige, nach Kundenwunsch gefertigte Steuerschaltkarte, die einen (nicht gezeigten) Impulsbreitenmodulator-IC-Chip enthält, der den Rotor 6 abhängig vom benötigten Drehmomentbetrag mit Impulsen versorgt. In der Servoventilanwendung ruht die Steuerschaltkarte in einem (nicht gezeigten) Hohlraum auf dem Ventil. Es wird eine Dichtung zwischen dem Ventilgehäuse und dem Ventildeckel verwendet, um den Hohlraum abzudichten, in dem die Schaltkarte liegt. Die Steuereinrichtung 22 ist außerdem mit einem flexiblen Schaltungsverbinder 24 zum Zusammenpassen mit einem Ende der flexiblen Schaltung 20 versehen. Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Schaltkarte wurde zum Beispiel durch den Rechtsnachfolge der vorliegenden Patentanmeldung hergestellt. Der Betrieb findet in einer Betriebsart mit einer geschlossenen Regelkreisrückführung statt, wobei die Steuereinrichtung 22 ein Rotorwellen-Winkelverstellungs-Eingangsbefehlssignal (Spannung) von einer äußeren Quelle empfängt, das mit dem Rückführungsspannungssignal verglichen wird, das vom Hallsensor 26 empfangen wird. Das Rückführungsspannungssignal repräsentiert die tatsächliche Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung, die im Servoventilanwendungsfall dem Null-Gasstrom entsprechen würde. Wenn ein Fehler ermittelt wird, sendet die Steuereinrichtung 22 über die flexible Schaltung 20 ein geeignetes Steuersignal an den Rotor 6, sich in die gewünschte (befohlene) Winkelverstellungsposition zu bewegen.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen die Steuereinrichtung 22, die flexible Schaltung 20 und der Sensor 24 als ein automatisches Steuersy stem für einen Rotor mit winkelbegrenzter Drehmomentbewegung, das eine geschlossene Regelkreisrückführung aufweist, die die Rotorwelle 6 gemäß einer Reihe von Rotorwinkelverstellungsbefehlssignalen aus einer äußeren Quelle in einer begrenzten Winkelweise um die Achse 7 antreibt. Die Steuereinrichtung 22 wird durch eine (nicht gezeigte) geregelte Gleichspannungsstromversorgung betrieben.
Eine Verbindbarkeit als geschlossener Regelkreis wird durch die flexible Schaltung 20 bereitgestellt, die in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 3 gezeigt, einen annähernd L-förmigen Vielfachleiterkörper 40 mit einem ersten Vielfachleiterarm 42 aufweist, der sich von einem Ende des Körpers 40 erstreckt. Der Arm 42 weist einen Handabschnitt 44 auf, der wiederum einen Handflächenabschnitt 46 und drei elektrisch leitende Finger 48, 50 und 52 aufweist, um einen elektrischen Kontakt mit einigen der Kommutatorsegmente 12 herzustellen. Die Finger 48, 50 und 52 sind vorzugsweise in einer Anordnung voneinander beabstandet, die es zuläßt, daß die Steuereinrichtung 22 über den Kommutator 10 mit dem Rotor 6 in Verbindung steht, wenn die Finger im elektrischen Kontakt mit einigen der Kommutatorsegmente 12 stehen. Der Handflächenabschnitt 46 ist im allgemeinen wie ein Ring geformt, um entfernbar konzentrisch an einer Rotorwelle 6 angebracht zu werden, wobei der Ring einen Innendurchmesser aufweist, der zu deren Unterbringung größer als der Durchmesser der Welle 6 ist. Jeder Finger weist einen Endabschnitt auf, der vorzugsweise ein Band aus freiliegendem Kupfer aufweist, das auf der (nicht gezeigten) Rückseite mit einer dünnen Schicht einer Blei-Zinn-Lotlegierung bedeckt ist, um zu einem einzelnen Kommutatorsegment Strom zu leiten. Insbesondere weist der Arm 42 zwei Kupferleiterbahnen 60 und 62 (3) auf, die Strom von der Steuereinrichtung 22 führen und elektrischen Kontakt mit den Kom mutatorsegmenten 12c, 12f bzw. 12g aufnehmen (8), so daß zwei aktive elektrische Stromkreise erzeugt werden, die die Spulen 8f, 8e, 8d bzw. 8b, 8a bzw. 8c abdecken, wobei die Spule 8g während des Motorbetriebs inaktiv gelassen wird. Es gibt während des Betriebs des Servomotors kein Umschalten der Spulen wie im Bürstenfall, wobei die Vorwärts- und Rückwärtswinkelrotation der Rotorwelle 6 durch die Steuereinrichtung 22 als Reaktion aus äußere Eingangsbefehlssignale befohlen wird. Der bevorzugte Betriebsspannungsbereich beträgt in dieser Hinsicht (-24V, 24V).
Der Handabschnitt 44 ist entfernbar am Kommutator 10 vorzugsweise über eine Kunststoff-Schnappbefestigungshaltekappe 80 (4-5) angebracht, die eine ringförmige Basis 82 aufweist, um sie entfernbar konzentrisch an der Rotorwelle 6 anzubringen. Die ringförmige Basis 82 weist vorzugsweise einen Innendurchmesser auf, der zu deren Unterbringung größer als der Durchmesser der Rotorwelle ist. Die Haltekappe 80 ist auch mit einer halbkreisförmigen Innenwand 84 versehen, die nach innen ausgespart ist und von der Basis 82 ausgeht, um die freiliegenden Kupferendabschnitte der Finger 48, 50 und 52 an entsprechenden Kommutatorsegmenten durch Reibung zu befestigen, so daß während des Motorbetriebs die Kupferleiterbahnen 60 und 62 in elektrischen Kontakt mit den Kommutatorsegmenten 12c, 12f und 12g stehen. Die Haltekappe 80 weist außerdem eine halbkreisförmige Rückwand 88 auf, die von der Kante der Basis 82 ausgeht, die einen Zahn 86 aufweist, der ihn eine Richtung normal zur Achse 7 gegenüberliegend der Wand 84 nach außen vorsteht, um einen zusätzlichen Befestigungs- (Reibungs-) Halt am Handabschnitt 44 während des Motorbetriebs bereitzustellen.
Es sollte durch einen Fachmann erkannt werden, daß die obige Verbindung alternativ durch Lötung oder eine Klebeverbindung der freiliegenden Kupferabschnitte der Finger 48, 50 und 52 über Verbindungsdrähte mit jeweiligen Kommutatorsegmenten hergestellt werden kann. Jedoch wird eine solche Verbindung nicht bevorzugt, da Drähte typischerweise eine Ermüdung erfahren würden und verhältnismäßig schnell durch die Hin- und Herbewegung der Rotorwelle mit hoher Zyklenzahl brechen können. Außerdem sind Verbindungsdrähte im allgemeinen steifer als eine flexible Schaltungsverbindung, was zusätzliche Positionsfehler zwischen dem Befehlssignal und dem Rückführungssignal vom Hallsensor 26 erzeugt. Außerdem wird die Montagezeit mit der flexiblen Schaltung beträchtlich reduziert, verglichen mit der Lötung von Drähten an die Kommutatorsegmente, die einen verhältnismäßig großen Massenbetrag aufweisen und eine wesentliche Erwärmung benötigen, um die Kommutatorsegmentoberfläche auf Löttemperatur zu bringen. Außerdem bringt die Erwärmung der Kommutatorsegmente das Risiko mit sich, die Verbindung zwischen dem Kommutatorsegment und dem Isolationsmaterial zu beschädigen, auf dem es befestigt ist. Die flexible Schaltungs-/Kommutatorverbindung wird daher gemäß der besten Art, die vorliegende Erfindung zu praktizieren, bevorzugt, da sie eine schnelle Montagezeit und eine zuverlässige elektrische Verbindung bereitstellt und kein bedeutendes Moment (Kraft) auf den Rotor ausübt.
Wenn der Servomotor zur Verwendung in der pneumatischen Servoventilanwendung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zusammengebaut wird, sollte eine Eichung (oder Orientierung) der Finger 48, 50, 52 relativ zu den Kommutatorsegmenten ausgeführt werden. Insbesondere sollte eine imaginäre Linie 90, wie in 3 gezeigt, die den bogenförmigen Abschnitt des Raums zwischen den Fingern 48 und 50 teilt, so gezogen werden, daß sie mit der Achse der exzentrischen Antriebskugel zusammenfällt. Die Nullstellung ist folglich durch die Halbierende definiert, die mit der Achse der exzentrischen Antriebskugel zu sammenfällt. Diese Position ist auch als die Position des Null-Gasstroms definiert, wie oben erwähnt. Eine Nullstellung der Rotorwelle 6 wird in 6 dargestellt.
Der flexible Schaltungskörper 40 weist auch einen zweiten Vielfachleiterarm 52 auf, der einen Endabschnitt 54 aufweist, der ebenfalls Bänder freiliegenden Kupfers aufweist, die zum Anbringen an den Hallsensor 26 und um Strom zu ihm zu leiten, jeweils auf der (nicht gezeigten) Rückseite mit einer dünnen Schicht einer Blei-Zinn-Lotlegierung bedeckt sind. Jedes Band des freiliegenden Kupfers entspricht einer bestimmten Kupferbahn, die im Arm verläuft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der freiliegende Kupferabschnitt des zweiten Armes 52 unter Verwendung einer üblichen Blei-Zinn-Lotlegierung direkt an den oberen Teil des Oberflächenmontage-Hallsensors 26 gelötet. Insbesondere weist der Arm 52 drei Kupferleiterbahnen 56, 57 und 58 (3) auf, die jeweils mit den oben beschriebenen drei oberen Kontaktflächen des Oberflächenmontage-Hallsensors 26 verbunden sind. Die Leiterbahn 58 ist vorzugsweise dazu bestimmt, das Rückführungssignal der Rotorwellen-Winkelverstellungsposition zur Steuereinrichtung 22 zu übertragen, während die Leiterbahnen 56 und 57 den Strom führen, der durch die Steuereinrichtung 22 geliefert wird. Der bevorzugte Stromversorgungsbereich beträgt, wie oben erwähnt, (-5V, 5V) .
Es sollte durch einen Fachmann erkannt werden, daß eine solche Verbindung die Montagezeit beträchtlich reduziert und gleichzeitig eine zuverlässige elektrische Verbindung für den Hallsensor bereitstellt. Der gelötete Hallsensor wird dann durch Klebung in der Aussparung 28 angebracht, wie in 2 dargestellt.
Das andere Ende des flexiblen Schaltungskörpers 40 weist einen Anschlußabschnitt 70 auf, der auf der (nicht gezeigten) Rückseite mit Bändern aus freiliegendem Kupfer versehen ist, wobei jedes Band mit einer dünnen Schicht einer Blei-Zinn-Lotlegierung versehen ist und einer bestimmten Kupferleiterbahn entspricht, die in diesem Abschnitt der flexiblen Schaltung verläuft, zur Paarung mit dem flexiblen Schaltungsverbinder 24 (1). Der Anschlußabschnitt 70 trägt alle fünf Leiterbahnen des Verbinders 24, die die elektrische Verbindung des geschlossener Regelkreises schließen.
Der flexible Schaltungskörper 40 ist ferner mit einem Paar ringförmiger Entlastungsnasen 72 bzw. 74 versehen (3), die in einen Entlastungsstift 76 eingesetzt werden, der sich nach außen parallel zur Achse 7 vom unteren Abschnitt des Lagers 16 erstreckt. Die Nasen 72 und 74 sind in einer solchen Weise vom Handabschnitt 44 angeordnet, daß sie es zuzulassen, daß der Abschnitt der flexiblen Schaltung, der zwischen der Stiftverbindung und der Kommutatorverbindung angebracht ist, imstande ist, sich in Übereinstimmung mit der winkelbegrenzten Drehmomentbewegung des Rotors 6 zu biegen, ohne die Leistung oder Zuverlässigkeit des Motors mit dem Rest der flexiblen Schaltung zu beeinflussen, der während des Motorbetriebs feststehend bleibt. Außerdem ist der Lageraufbau 14 mit einem seitlichen Ausschnitt 100 (1) versehen, um eine Befestigungsstütze für den Abschnitt des flexiblen Schaltungskörpers zwischen dem ersten und zweiten Arm bereitzustellen.
Da die flexible Schaltung 20 mit dünnen Lagen aus Kunststoff bedeckt ist, wird eine bestimmte Menge zusätzlichen Kupfers zwischen den Lagen in gekennzeichneten Bereichen um den Schaltungskörper eingebettet, wie den Bereichen 102, 103, 104 und 105, um eine zusätzliche strukturelle Festigkeit bereitzustellen, wie in 3 gezeigt. Außerdem sind (nicht gezeigte) Zugentlastungsbereiche in kritischen Bereichen vorgesehen, indem zusätzliches Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel um die Krümmung des Handabschnitts 44 und in dem Bereich zwischen den Nasen 72 und 74 gebündelt wird.
Der oben beschriebene verbesserte winkelbegrenzte Drehmoment-Servomotor ist zu einer hohen Betriebszyklenzahl von typischerweise bis zu 30 Millionen Zyklen und einen Frequenzbereich von 40 Hz – 100 Hz imstande, wobei ein Zyklus zum Beispiel bei 10 Grad beginnen, dann auf 30 Grad drehen und dann zurück auf 10 Grad drehen könnte. Der bevorzugte Betriebsbereich des erfinderischen Servomotors beträgt in der Servoventilanwendung (-30 Grad, 30 Grad), wodurch 30 Grad als voller Gasstrom zu einem Ende des Servoventilzylinders definiert würden, und -30 Grad als voller Gasstrom zum anderen Ende des Zylinders definiert würden. Jeder Drehwinkel der Rotorwelle 6 zwischen diesen optimalen Werte würde als teilweiser Strom in die jeweilige Richtung definiert. Eine solche Rotorwellenverstellung wird in 7 gezeigt.
Es ist beachtenswert, daß der Servomotor 2 in der Servoventilanwendung optimal im Bereich von (-40 Grad, 40 Grad) betrieben werden kann, wobei jeder der optimalen Werte einen tatsächlichen mechanischen Stop entspricht, der durch einen Hülsenstopfen auf jeder Seite der Hülsen bereitgestellt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbessern der winkelbegrenzten Drehmomentleistung eines Standard-Gleichstrom-Bürstenmotors offenbart. Der Standard-Gleichstrommotor weist einen Stator, einen Bürstenaufbau und einen Rotor auf, wobei der Rotor Wicklungsspulen und einen Kommutator mit Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch auf einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse angebracht sind. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

(1) Bereitstellen eines Gleichstrom-Bürstenmotors;
(2) Entfernen des Bürstenaufbaus von dem Gleichstrom-Bürstenmotor;
(3) Bereitstellen eines Lageraufbaus, der einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt aufweist;
(4) Anbringen des Lageraufbaus an die Motorwelle naheliegend zum Kommutator, wobei der untere Abschnitt des Lageraufbaus dem Kommutator gegenüberliegt, wobei der Lageraufbau während des Motorbetriebs feststehend ist;
(5) Bereitstellen einer Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung;
(6) Bereitstellen eines ringförmigen Hallpermanentmagneten;
(7) Anbringen des ringförmigen Hallpermanentmagneten an die Motorwelle naheliegend zum oberen Abschnitt des Lageraufbaus;
(8) Klebebefestigen des angebrachten Hallmagneten an der Rotorwelle;
(9) Bereitstellen einer Steuereinrichtung zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse;
(10) Bereitstellen einer flexiblen Schaltung, die einen im wesentlichen L-förmigen Vielfachleiterkörper aufweist, der einen ersten Vielfachleiterarm aufweist, der sich zur elektrischen Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse von einem Ende des Körpers erstreckt, wobei sich ein zweiter Vielfachleiterarm zur elektrischen Kopplung mit der Halleffekt-Vorrichtung vom ersten Vielfachleiterarm stromaufwärts, vom L-förmigen Vielfachleiterkörper weg erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur elektrischen Kopplung mit der Steuereinrichtungsschaltkarte angepaßt ist;
(11) entfernbare Kopplung des anderen Endes des L-förmigen Vielfachleiterkörpers mit der Steuereinrichtung, um während des Motorbetriebs einen elektrischen Kontakt zwischen dem Vielfachleiterkörper und der Steuereinrichtung herzustellen, wobei die Steuereinrichtung einen flexiblen Schaltungsverbinder zur Aufnahme des anderen Endes des L-förmigen Vielfachleiterkörpers aufweist;
(12) Löten des zweiten Armes an die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Arm und der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung herzustellen;
(13) Klebeanbringen der gelöteten Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung an den oberen Abschnitt des Lageraufbaus naheliegend zum festen Hallmagnet, um während des Motorbetriebs eine Präzisionsabtastung der Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung durch die Halleffekt-Vorrichtung zuzulassen;
(14) Bereitstellen einer Schnappbefestigungshaltekappe zur entfernbaren Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator, und
(15) Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator mit der Schnappbefestigungshaltekappe, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Vielfachleiterarm und dem Kommutator herzustellen, um es zuzulassen, daß die Steuereinrichtung die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse steuert, wobei die Kopplung es zuläßt, daß sich während des Motorbetriebs ein Abschnitt des ersten Vielfachleiterarmes in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.

Wenn der Servomotor in der pneumatischen Servoventilanwendung mit Direktantrieb verwendet wird, würde ein zusätzlicher Verfahrensschritt benötigt. Der zusätzliche Schritt wäre die Eichung der Rotorwellen-Winkelnullstellung, wie oben beschrieben. Es sollte durch einen Fachmann erkannt werden, daß der neuartige winkelbegrenzte bürstenlose Drehmoment-Gleichstromservomotor nicht nur in Servoventilen, sondern in einer Vielfalt anderer Anwendungen verwendet werden kann, vorausgesetzt, daß solche Anwendungen nicht den beabsichtigen Zweck der vorliegenden Erfindung verlassen.
Der oben beschriebene erfinderische Servomotor kann aus kostengünstigen, jedoch zuverlässigen Komponenten hergestellt werden, ist in Sekunden einfach zusammenzubauen und liefert eine zuverlässige winkelbegrenzte Drehmomentleistung, die der Leistung herkömmlicher bürstenloser Gleichstromservomotoren bei einem Kostenunterschied von etwa 10:1 entspricht.
Während die vorliegende Erfindung hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsformen im Detail beschrieben worden ist, sollte erkannt werden, daß verschiedene Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Rahmen oder Geist der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann es möglich sein, den neuartigen Servomotor in der pneumatischen Servoventilanwendung so zu modifizieren, daß der erfinderische obere Lageraufbau an einer geeigneten Stelle innerhalb des Servoventilgehäuses integriert wird. In einem solchen Fall würde der Hallsensor dauerhaft außerhalb des Servomotors angrenzend an den Hallmagneten, der Teil des Servomotoraufbaus bleiben würde, an dem integrierten oberen Lageraufbau angebracht werden. Ein solcher Aufbau würde die Anzahl der Teile reduzieren, die erforderlich sind, um den Servomotor zusammenzubauen, und würde die Art der Herstellung des Servomotors ändern, wobei der Rotor (im Ventilgehäuse) im integrierten oberen Lageraufbau angebracht wird, der Hallmagnet danach an der Welle im hohlen oberen Abschnitt der Lagernabe, die Teil des integrierten Lageraufbaus ist, angrenzend an den Hallsensor angebracht wird, wobei die flexible Schaltung und die Steuereinrichtungskarte in der hierin oben beschriebenen Weise zusammengebaut werden. Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines Hallsensor/Hallmagnet-Paares zur Abtastung der Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Drehwellennullstellung beschränkt. Es können andere Typen von Sensoren verwendet werden, um die Winkelverstellung der Rotorwelle von der Nullstellung während des Betriebs des Servomotors abzutasten, vorausgesetzt, dafl die Verwendung solcher Sensoren nicht den beabsichtigen Zweck der vorliegenden Erfindung verläßt.

Claims

Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor (2) zum Anbringen in einem Gehäuse, das zur Aufnahme und zum Halten des Servomotors angepaßt ist, wobei der Servomotor einen hohlen zylindrischen Stator, der eingebettete Permanentmagnete aufweist, und einen Rotor (4) aufweist, der Wicklungsspulen (8) und einen Kommutator (10) mit mehreren Kommutatorsegmenten (12) aufweist, die konzentrisch auf einer Rotorwelle (6) längs der Rotorlängsachse (7) angebracht sind, wobei die Verbesserung aufweist: eine Steuereinrichtung (22), die zum Drehen des Rotors (4) in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse (7) als Reaktion auf ein äußeres Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal betriebsfähig mit dem Rotor (4) verbunden ist; einen Sensor (24), der mit dem Gehäuse zur Abtastung der begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse gekoppelt ist, wobei der Sensor ein Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ ist; und eine Schaltung (20) zur elektrischen Kopplung der Steuereinrichtung (22) mit dem Kommutator (10) und des Sensors mit der Steuereinrichtung (22), wobei die Steuereinrichtung (22) das Rückführungssignal empfängt und mit dem äußeren Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal vergleicht und ein entsprechendes Rotorbewegungssteuerfehlersignal erzeugt, wobei die Steuereinrichtung (22) das Rotorbewegungssteuerfehlersignal an den Kommutator (10) übermittelt, um die begrenzte Winkelrotation des Rotors (4) um die Rotorlängsachse (7) zu steuern, wobei die Schaltung mindestens einen Abschnitt aufweist, der sich während des Motorbetriebs in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse (7) biegt.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor (2), der einen hohlen zylindrischen Stator, der eingebettete Permanentmagnete aufweist, und einen Rotor (4) aufweist, der Wicklungsspulen (8) und einen Kommutator (10) mit mehreren Kommutatorsegmenten (12) aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse (7) angebracht sind, wobei die Verbesserung aufweist: einen Lageraufbau (14), der naheliegend zum Kommutator an der Rotorwelle angebracht ist; eine Steuereinrichtung (22), die zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse als Reaktion auf ein äußeres Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal betriebsfähig mit dem Rotor verbunden einen Sensor (24), der zur Abtastung der begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse mit dem Lageraufbau gekoppelt ist, wobei der Sensor ein Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ ist; und eine Schaltung (20) zur elektrischen Kopplung der Steuereinrichtung mit dem Kommutator und des Sensors mit der Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung das Rückführungssignal empfängt und mit dem äußeren Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal vergleicht und ein ent sprechendes Rotorbewegungssteuerfehlersignal erzeugt, wobei die Steuereinrichtung das Rotorbewegungssteuerfehlersignal an den Kommutator übermittelt, um die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse zu steuern, wobei die Schaltung mindestens einen Abschnitt aufweist, der sich während des Motorbetriebs in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 2, wobei die Schaltung eine flexible Schaltung ist, die mehrere flexible elektrische Leiter (21) aufweist, die zwischen Lagen eines flexiblen Isolationsmaterials eingebettet sind.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 3, wobei die flexible Schaltung mehrere Vielfachleiterarme zur Kopplung mit dem Kommutator und mit dem Sensor aufweist, wobei sich mindestens einer der Vielfachleiterarme in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 3, wobei die flexible Schaltung einen im wesentlichen L-förmigen Vielfachleiterkörper (40) aufweist, der einen ersten Vielfachleiterarm (42), der sich zur entfernbaren Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse von einem Ende des Körpers erstreckt, und einen zweiten Vielfachleiterarm aufweist, der sich zur Kopplung mit dem Sensor vom ersten Vielfachleiterarm stromaufwärts vom Lförmigen Vielfachleiterkörper weg erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörper zur entfernbaren Kopplung mit der Steuereinrichtung angepaßt ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 5, wobei der erste Vielfachleiterarm der flexiblen Schaltung einen Handabschnitt (44) aufweist, der eine Handfläche (46) und mehrere elektrisch leitende Finger (48,50,52) zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einigen der Kommutatorsegmente aufweist, wobei die Finger in einer Anordnung voneinander beabstandet sind, die es zuläßt, daß die Steuereinrichtung mit dem Rotor in Verbindung steht, wenn sich die Finger mit einigen der Kommutatorsegmente in elektrischem Kontakt befinden.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 6, wobei die Handfläche zum konzentrischen Anbringen an die Rotorwelle im wesentlichen wie ein Ring geformt ist, wobei der Ring zur Unterbringung der Rotorwelle einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser der Rotorwelle ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 7, wobei jeder der Finger einen Endabschnitt aufweist, der zum Leiten von Strom zu einem einzelnen Kommutatorsegment angepaßt ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 8, der ferner eine Einrichtung zu Kopplung des Handabschnitts an den Kommutator aufweist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 9, wobei die Kopplungseinrichtung einen Schnappbefestigungshalter (80) zur Befestigung des Handabschnitts an dem Kommutator aufweist, wobei sich die Finger des Handabschnitts in elektrischem Kontakt mit einigen der Kommutatorsegmente unter dem Halter befinden, was es zuläßt, daß die Steuereinrichtung die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse während des Motorbetriebs steuert.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 10, wobei der Schnappbefestigungshalter im wesentlichen wie eine Kappe geformt ist, die eine ringförmige Basis (82) zum konzentrischen Anbringen an die Rotorwelle aufweist, wobei die ringförmige Basis zur Unterbringung der Rotorwelle einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser der Rotorwelle ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 11, wobei die Schnappbefestigungshaltekappe ferner mehrere Innenwände (84) aufweist, die nach innen ausgespart sind und zur Sicherung der elektrisch leitenden Endabschnitte der Finger gegen jeweilige Kommutatorsegmente von der ringförmigen Basis ausgehen.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 2, wobei der ange brachte Lageraufbau einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweist, wobei der untere Abschnitt dem Kommutator gegenüberliegt.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 13, wobei der Sensor eine Halleffekt-Vorrichtung (26) zur Kopplung mit dem oberen Abschnitt des angebrachten Lageraufbaus und einen Hallmagnet (30) zur Kopplung mit der Rotorwelle naheliegend zu der Halleffekt-Vorrichtung aufweist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 14, wobei die Hall-effekt-Vorrichtung eine Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 15, wobei der Hall-magnet ein Permanentmagnet ist, der zum Anbringen an die Rotorwelle im wesentlichen wie ein Ring geformt ist, wobei der Ring zur Unterbringung der Rotorwelle einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser der Rotorwelle ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 16, wobei der ringförmige Hallpermanentmagnet an der Rotorwelle naheliegend zur Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung befestigt ist, wobei die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung Variationen im magnetischen Fluß, der durch den festen Hallmagnet erzeugt wird, als Ergebnis einer Winkelverstellung der Rotorwelle mißt, wobei die Halleffekt- Vorrichtung ein entsprechendes Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von der vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 17, wobei der zweite Vielfachleiterarm einen Endabschnitt aufweist, der zur elektrischen Kopplung mit der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung angepaßt ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 18, der ferner eine Einrichtung zur Kopplung des angepaßten Endabschnitts des zweiten Vielfachleiterarmes an die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung aufweist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 19, wobei die Kopplungseinrichtung eine direkte Lötung des angepaßten Endabschnitts des zweiten Armes an die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung aufweist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 20, der ferner eine Einrichtung zur Kopplung der gelöteten Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung an den oberen Abschnitt des Lageraufbaus aufweist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 21, wobei die Kopplungseinrichtung eine Aussparung aufweist, die in dem oberen Abschnitt des Lageraufbaus zur Unterbringung der gelöteten Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung vorgesehen ist, wobei die gelötete Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung am unterem Teil der Aussparung klebeangebracht ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 22, wobei die Steuereinrichtung eine elektronische Schaltkarte ist, die mindestens einen integrierten Impulsbreitenmodulatorschaltungs- (IC) Chip aufweist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 23, wobei die Schaltkarte ferner einen oberflächenmontierten flexiblen Schaltungsverbinder zur Verbindung mit dem anderen Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers der flexiblen Schaltung aufweist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 24, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers der flexiblen Schaltung einen elektrisch leitenden Abschnitt aufweist, der zum Zusammenpassen mit dem oberflächenmontierten flexiblen Schaltungsverbinder angepaßt ist.
Verbesserter winkelbegrenzter bürstenloser Drehmoment-Gleichstromservomotor nach Anspruch 13, wobei der untere Abschnitt des Lageraufbaus mit einem Ausschnitt zur Unterbringung eines Abschnitts des L-förmigen Vielfachleiterkörpers versehen ist, wobei sich der Abschnitt zwischen dem ersten Vielfachleiterarm und dem zweiten Vielfachleiterarm befindet.
Verfahren zum Verbessern der winkelbegrenzten Drehmomentleistung eines Gleichstrom-Bürstenmotors, der einen Stator, einen Bürstenaufbau und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor Wicklungsspulen und einen Kommutator mit Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse angebracht sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Gleichstrom-Bürstenmotors, Entfernen des Bürstenaufbaus aus dem Gleichstrom-Bürstenmotor; Bereitstellen eines Lageraufbaus, der einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt aufweist; Anbringen des Lageraufbaus an die Motorwelle naheliegend zum Kommutator, wobei der untere Abschnitt des Lageraufbaus dem Kommutator gegenüberliegt, wobei der Lageraufbau während des Motorbetriebs feststehend ist; Bereitstellen einer Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung; Bereitstellen eines ringförmigen Hallpermanentmagneten; Anbringen des ringförmigen Hallpermanentmagneten an die Motorwelle naheliegend zum oberen Abschnitt des Lageraufbaus; Klebebefestigen des angebrachten Hallmagneten an der Rotorwelle; Bereitstellen einer Steuereinrichtung zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse; Bereitstellen einer flexiblen Schaltung, die einen im wesentlichen L-förmigen Vielfachleiterkörper aufweist, der einen ersten Vielfachleiterarm aufweist, der sich zur elektrischen Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse von einem Ende des Körpers erstreckt, wobei sich ein zweiter Vielfachleiterarm zur elektrischen Kopplung mit der Halleffekt-Vorrichtung vom ersten Vielfachleiterarm stromaufwärts, vom L-förmigen Vielfachleiterkörper weg erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur elektrischen Kopplung mit der Steuereinrichtungsschaltkarte angepaßt ist; entfernbare Kopplung des anderen Endes des L-förmigen Vielfachleiterkörpers mit der Steuereinrichtung, um während des Motorbetriebs einen elektrischen Kontakt zwischen dem Vielfachleiterkörper und der Steuereinrichtung herzustellen, wobei die Steuereinrichtung einen flexiblen Schaltungsverbinder zur Aufnahme des anderen Endes des Lförmigen Vielfachleiterkörpers aufweist; Löten des zweiten Armes an die Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Arm und der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung herzustellen; Klebeanbringen der gelöteten Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung an den oberen Abschnitt des Lageraufbaus naheliegend zum festen Hallmagnet, um während des Motorbetriebs eine Präzisionsabtastung der Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung durch die Halleffekt-Vorrichtung zuzulassen; Bereitstellen einer Schnappbefestigungshaltekappe zur entfernbaren Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator, und Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes an den Kommutator mit der Schnappbefestigungshaltekappe, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Vielfachleiterarm und dem Kommutator herzustellen, um es zuzulassen, daß die Steuereinrichtung die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse steuert, wobei die Kopplung es zuläßt, daß sich während des Motorbetriebs ein Abschnitt des ersten Vielfachleiterarmes in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung zur Verwendung mit einem Gleichstrommotor, der einen hohlen zylindrischen Stator, der eingebettete Permanentmagnete aufweist, und einen Rotor aufweist, der Wicklungsspulen und einen Kommutator mit mehreren Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle längs des Rotorlängsachse angebracht sind, zum Anbringen in einem Gehäuse, das zur Aufnahme und zum Halten der Rotorwelle angepaßt ist, wobei das Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung aufweist: eine Steuereinrichtung, die mit dem Rotor zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse als Reaktion auf ein äußeres Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal betriebsfähig verbunden ist; einen Sensor, der an das Gehäuse zur Abtastung der begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse gekoppelt ist, wobei der Sensor ein Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ ist; und eine Schaltung zur elektrischen Kopplung der Steuereinrichtung mit dem Kommutator und des Sensors mit der Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung das Rückführungssignal empfängt und mit dem äußeren Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal vergleicht und ein entsprechendes Rotorbewegungssteuerfehlersignal erzeugt, wobei die Steuereinrichtung das Rotorbewegungssteuerfehlersignal an den Kommutator übermittelt, um die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse zu steuern, wobei die Schaltung mindestens einen Abschnitt aufweist, der sich während des Motorbetriebs in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung zur Verwendung mit einem Gleichstrommotor, der einen hohlen zylindrischen Stator, der eingebettete Permanentmagnete aufweist, und einen Rotor aufweist, der Wicklungsspulen und einen Kommutator mit mehreren Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch an einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse angebracht sind, wobei das Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung aufweist: einen Lageraufbau, der an der Rotorwelle naheliegend zum Kommutator angebracht ist; eine Steuereinrichtung, die mit dem Rotor zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse als Reaktion auf ein äußeres Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal betriebsfähig verbunden ist; einen Sensor, der zur Abtastung der begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse mit dem Lager aufbau gekoppelt ist, wobei der Sensor ein Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ ist; und eine Schaltung zur elektrischen Kopplung der Steuereinrichtung mit dem Kommutator und des Sensors mit der Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung das Rückführungssignal empfängt und es mit dem äußeren Rotorwellen-Winkelverstellungsbefehlssignal vergleicht und ein entsprechendes Rotorbewegungssteuerfehlersignal erzeugt, wobei die Steuereinrichtung das Rotorbewegungssteuerfehlersignal an den Kommutator übermittelt, um die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse zu steuern, wobei die Schaltung mindestens einen Abschnitt aufweist, der sich während des Motorbetriebs in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 29, wobei die Schaltung eine flexible Schaltung ist, die mehrere flexible elektrische Leiter aufweist, die zwischen Lagen aus flexiblem Isolationsmaterial eingebettet sind.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 30, wobei die flexible Schaltung mehrere Vielfachleiterarme zur Kopplung mit dem Kommutator und mit dem Sensor aufweist, wobei sich mindestens einer der Vielfachleiterarme in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 30, wobei die flexible Schaltung einen im wesentlichen L-förmigen Vielfachleiterkörper aufweist, der einen ersten Vielfachleiterarm, der sich zur entfernbaren Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse von einem Ende des Körpers erstreckt, und einen zweiten Vielfachleiterarm aufweist, der sich zur Kopplung mit dem Sensor vom ersten Vielfachleiterarm stromaufwärts, vom Lförmigen Vielfachleiterkörper weg erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur entfernbaren Kopplung an die Steuereinrichtung angepaßt ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 32, wobei der erste Vielfachleiterarm der flexiblen Schaltung einen Handabschnitt aufweist, der eine Handfläche und mehrere elektrisch leitende Finger zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einigen der Kommutatorsegmente aufweist, wobei die Finger in einer Anordnung voneinander beabstandet sind, die es zuläßt, daß die Steuereinrichtung mit dem Rotor in Verbindung steht, wenn sich die Finger in elektrischem Kontakt mit einigen der Kommutatorsegmente befinden.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 33, wobei die Handfläche zum konzentrischen Anbringen an der Rotorwelle im wesentlichen wie ein Ring geformt ist, wobei der Ring einen Innendurchmesser aufweist, der zur Unterbringung der Rotorwelle größer als der Durchmesser der Rotorwelle ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 34, wobei jeder der Finger einen Endabschnitt aufweist, der zum Leiten von Strom zu einem einzelnen Kommutatorsegment angepaßt ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 35, das ferner eine Einrichtung zur Kopplung des Handabschnitts an den Kommutator aufweist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 36, wobei die Kopplungseinrichtung einen Schnappbefestigungshalter zur Befestigung des Handabschnitts an dem Kommutator aufweist, wobei sich die Finger des Handabschnitts in elektrischem Kontakt mit einigen der Kommutatorsegmente unter dem Halter befinden, wodurch zugelassen wird, daß die Steuereinrichtung während des Motorbetriebs die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse steuert.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 37, wobei der Schnappbefestigungshalter im wesentlichen wie eine Kappe geformt ist, die eine ringförmige Basis zum konzentrischen Anbringen auf der Rotorwelle aufweist, wobei die ringförmige Basis einen Innendurchmesser aufweist, der zur Unterbringung der Rotorwelle größer als der Durchmesser der Rotorwelle ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 38, wobei die Schnappbefestigungshaltekappe ferner mehrere Innenwände aufweist, die nach innen ausgespart sind und zur Sicherung der elektrisch leitenden Endabschnitte der Finger gegen jeweilige Kommutatorsegmente von der ringförmigen Basis ausgehen.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 29, wobei der angebrachte Lageraufbau einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweist, wobei der untere Abschnitt dem Kommutator gegenüberliegt.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 40, wobei der Sensor eine Halleffekt-Vorrichtung zur Kopplung mit dem oberen Abschnitt des angebrachten Lageraufbaus und einen Hallmagneten zur Kopplung an die Rotorwelle naheliegend der Halleffekt-Vorrichtung aufweist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 41, wobei die Halleffekt-Vorrichtung eine Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 42, wobei der Hallmagnet ein Permanentmagnet ist, der zum Anbringen an die Rotorwelle im wesentlichen wie ein Ring geformt ist, wobei der Ring zur Unterbringung der Rotorwelle einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser der Rotorwelle ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 43, wobei der ringförmige Hall-permanentmagnet an der Rotorwelle naheliegend der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung befestigt ist, wobei die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung Variationen im magnetischen Fluß, der durch den festen Hallmagneten erzeugt wird, als Ergebnis einer Winkelverstellung der Rotorwelle mißt, wobei die Halleffekt-Vorrichtung ein entsprechendes Rückführungssignal erzeugt, das für die Rotorwellen-Winkelverstellung von der vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung repräsentativ ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 44, wobei der zweite Vielfachleiterarm einen Endabschnitt aufweist, der zur elektrischen Kopplung mit der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung angepaßt ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 45, das ferner eine Einrichtung zur Kopplung des angepaßten Endabschnitts des zweiten Vielfachleiterarmes an die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung aufweist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 46, wobei die Kopplungseinrichtung eine direkte Lötung des angepaßten Endabschnitts des zweiten Armes an die Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung aufweist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 47, das ferner eine Einrichtung zur Kopplung der gelöteten Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung an den oberen Abschnitt des Lageraufbaus aufweist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 48, wobei die Kopplungseinrichtung eine Aussparung aufweist, die in dem oberen Abschnitt des Lageraufbaus zur Unterbringung der gelöteten Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung vorgesehen ist, wobei die gelötete Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung am unterem Teil der Aussparung klebeangebracht ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 49, wobei die Steuereinrichtung eine elektronische Schaltkarte ist, die mindestens einen integrierten Impulsbreitenmodulatorschaltungs- (IC) Chip aufweist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 50, wobei die Schaltkarte ferner einen oberflächenmontierten flexiblen Schaltungsverbinder zur Verbindung mit dem anderen Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers der flexiblen Schaltung aufweist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 51, wobei das anderen Ende des Lförmigen Vielfachleiterkörpers der flexiblen Schaltung einen elektrisch leitenden Abschnitt aufweist, der zum Zusammenpassen mit dem oberflächenmontierten flexiblen Schaltungsverbinder angepaßt ist.
Steuersystem für eine winkelbegrenzte Rotor-Drehmomentbewegung nach Anspruch 40, wobei der untere Abschnitt des Lageraufbaus mit einem Ausschnitt zur Unterbringung eines Abschnitts des L-förmigen Vielfachleiterkörpers versehen ist, wobei sich der Abschnitt zwischen dem ersten Vielfachleiterarm und dem zweiten Vielfachleiterarm befindet.
Verfahren zum Verbessern der winkelbegrenzten Drehmomentleistung eines Gleichstrom-Bürstenmotors, der einen Stator, einen Bürstenaufbau und einen Rotor aufweist, wobei der Rotor Wicklungsspulen und einen Kommutator mit Kommutatorsegmenten aufweist, die konzentrisch auf einer Rotorwelle längs der Rotorlängsachse angebracht sind, zum Anbringen in einem Gehäuse, das zur Aufnahme und zum Halten der Rotorwelle angepaßt ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Gleichstrom-Bürstenmotors; Entfernen des Bürstenaufbaus von dem Gleichstrom-Bürstenmotor; Bereitstellen einer Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung; Bereitstellen eines ringförmigen Hallpermanentmagneten; Anbringen des ringförmigen Hallpermanentmagneten an der Motorwelle entfernt vom Kommutator, Klebebefestigen des angebrachten Hallmagneten an der Rotorwelle; Bereitstellen einer Steuereinrichtung zum Drehen des Rotors in einer gesteuerten, begrenzten Winkelweise um die Rotorlängsachse; Bereitstellen einer flexiblen Schaltung, die einen im wesentlichen L-förmigen Vielfachleiterkörper aufweist, der einen ersten Vielfachleiterarm aufweist, der sich zur elektrischen Kopplung mit dem Kommutator und zur Biegung in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse von einem Ende des Körpers erstreckt, wobei sich ein zweiter Viel fachleiterarm zur elektrischen Kopplung mit der Halleffekt-Vorrichtung stromaufwärts vom ersten Vielfachleiterarm vom L-förmigen Vielfachleiterkörper weg erstreckt, wobei das andere Ende des L-förmigen Vielfachleiterkörpers zur elektrischen Kopplung mit der Steuereinrichtungsschaltkarte angepaßt ist; entfernbare Kopplung des anderen Endes des L-förmigen Vielfachleiterkörpers mit der Steuereinrichtung, um während des Motorbetriebs einen elektrischen Kontakt zwischen dem Vielfachleiterkörper und der Steuereinrichtung herzustellen, wobei die Steuereinrichtung einen flexiblen Schaltungsverbinder zur Aufnahme des anderen Endes des Lförmigen Vielfachleiterkörpers aufweist; Löten des zweiten Armes an die Oberflächenmontage-Hall-effekt-Vorrichtung, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem zweiten Arm und der Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung herzustellen; Klebeanbringen der gelöteten Oberflächenmontage-Halleffekt-Vorrichtung am Gehäuse naheliegend dem festen Hallmagneten, um während des Motorbetriebs eine Präzisionsabtastung der Winkelverstellung der Rotorwelle von einer vorbestimmten Rotorwellen-Winkelnullstellung aus durch die Halleffekt-Vorrichtung zuzulassen; Bereitstellen einer Schnappbefestigungshalteklappe zur entfernbaren Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes mit dem Kommutator; und Kopplung des ersten Vielfachleiterarmes mit den. Kommutator mit der Schnappbefestigungshaltekappe, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Vielfachleiterarm und dem Kommutator herzustellen, um es zuzulassen, daß die Steuereinrichtung die begrenzte Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse steuert, wobei es die Kopplung zuläßt, daß sich während des Motorbetriebs ein Abschnitt des ersten Vielfachleiterarmes in Übereinstimmung mit der gesteuerten begrenzten Winkelrotation des Rotors um die Rotorlängsachse biegt.