Schrittmotor nach dem Reluktanzprinzip

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor nach dem Reluktanzprinzip, mit einem Primärteil und einem relativ dazu bewegbaren Sekundärteil.

Ein derartiger Schrittmotor ist aus DE 29 083 A1 bekannt. Er hat ein als Stator ausgestaltetes Primärteil und ein als Rotor ausgebildetes Sekundärteil. Das Primärteil weist ein ringförmig um den Rotor umlaufendes weichmagnetisches Joch auf, an dessen Innenseite weichmagnetische Stator-Zähne radial vorstehen, die in Umfangsrichtung des Primärteils voneinander beabstandet und zur Bildung von magnetischen Polen jeweils mit einer Wicklung bewickelt sind. Die Wicklungen werden derart bestromt, dass an dem Stator ein magnetisches Wanderfeld erzeugt wird. Der Rotor hat einen drehbar an dem Stator gelagerten weichmagnetischen Rotorkörper, an dessen Außenumfang Rotor-Zähne angeordnet sind, die über einen Luftspalt mit den Stator-Zähnen magnetisch zusammenwirken. Durch entsprechendes Ansteuern der Wicklungen kann der Rotor des Schrittmotors in einer Anzahl unterschiedlichen Lagen relativ zu dem Stator positioniert werden. Der Schrittmotor weist jedoch noch relativ große Abmessungen auf. Außerdem ist die Herstellung des Schrittmotors und insbesondere das Bewickeln der Stator-Zähne noch relativ aufwändig. Der Schrittmotor ist daher entsprechend teuer.

Es besteht deshalb die Aufgabe, einen Schrittmotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der kompakte Abmessungen ermöglicht und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Primärteil mindestens drei in Bewegungsrichtung der Relativbewegung zueinander versetzte Polbaugruppen aufweist, die jeweils einen weichmagnetischen C-Kern mit einem Luftspalt und eine elektrische Wicklung zum Erzeugen eines den C-Kern und den Luftspalt transversal zur Relativbewegung durchsetzenden magnetischen Flusses aufweisen, dass die Polbaugruppen an einer Halterung magnetisch gegeneinander isoliert angeordnet sind, und dass das Sekundärteil in Bewegungsrichtung der Relativbewegung zueinander versetzte, in die Luftspalte hinein und aus diesen heraus bewegbare weichmagnetische Kernteile hat.

Der magnetische Fluss verläuft also transversal zur Relativbewegung von Primär- und Sekundärteil, wodurch es möglich ist, magnetisch voneinander getrennte Polbaugruppen vorzusehen, die bei der Fertigung des Schrittmotors jeweils auf einfache Weise mit einer Wicklung bewickelt und danach mittels der Halterung zu dem Primärteil miteinander verbunden werden

können. Dabei ist es sogar möglich, mit baugleichen Polbaugruppen unterschiedliche Schrittmotoren herzustellen, indem die Polbaugruppen mittels unterschiedlicher Halterungen unterschiedlich relativ zueinander positioniert werden, beispielsweise in unterschiedlichen Abständen zueinander oder entlang von Kreislinien mit unterschiedlichen Durchmessern. Der Schrittmotor ist deshalb kostengünstig in Serienfertigung herstellbar. In vorteilhafter weise können die Polbaugruppen bei einem Schrittmotor, bei dem das Primärteil als Stator und das Sekundärteil als bewegbar an dem Stator gelagerter Läufer ausgebildet ist, auch asymmetrisch zu einer Rotationsachse angeordnet sein, beispielsweise nur in einem bestimmten Segment, um einen bananenförmigen Schrittmotor zu bilden. Der Schrittmotor ermöglicht deshalb kompakte Abmessungen. Die Polbaugruppen können bei der Konstruktion des Schrittmotors entsprechend einem vorhandenen Bauraum angeordnet werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die einzelnen Polbaugruppen baugleich sind. Der Schrittmotor ist dann noch einfacher und kostengünstiger herstellbar.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die C-Kerne jeweils aus zwei vorzugsweise etwa U-förmigen, weichmagnetischen Kernstücken zusammengesetzt, die jeweils ein erstes und ein zweites Stirnende aufweisen, wobei die Kernstücke mit ihren ersten Stirnenden einander zugewandt flächig aneinander angrenzen und wobei der Luftspalt zwischen den einander zugewandten zweiten Stirnenden gebildet ist. Dabei weist der an dem Luftspalt angeordnete Schenkel des weichmagnetischen Kernstücks jeweils eine kürzere Länge auf als der von dem Luftspalt entfernte Schenkel des Kernstücks. Die Kernstücke bestehen vorzugsweise aus mehreren zu einem Paket geschichteten U-förmigen ferromagnetischen Blechen, die durch eine Oberflächenbeschichtung elektrisch gegeneinander isoliert sind. Die beiden Kernstücke des C-Kerns sind bevorzugt baugleich.

Vorteilhaft ist, wenn die einzelnen C-Kerne an ihrem Außenumfang jeweils mit einer elektrischen Isolierschicht beschichtet sind, und wenn auf der Isolierschicht die den C-Kern umgrenzende Wicklung angeordnet ist. Die Isolierschicht wird bei der Fertigung des Schrittmotors bevorzugt auf die C-Kerne aufgespritzt. Die C-Kerne weisen zweckmäßigerweise einen etwa rechteckigen oder quadratischen Querschnitt auf. Im Bereich der Kanten des C-Kerns kann die Isolierschicht eine größere Wandstärke haben als an Stellen, die von den Kanten beanstandet sind. Die äußeren Bleche der C-Kerne können zu diesem Zweck etwas kleiner Abmessungen aufweisen als die inneren Bleche der C-Kerne.

Vorzugsweise sind die zweiten Stirnenden der einzelnen C-Kerne jeweils durch ein den Luftspalt überbrückendes nicht ferromagnetisches Stützelement gegeneinander abgestützt.

Mittels des Stützelements können die an dem Luftspalt auf die zweiten Stirnenden wirkenden magnetischen Kräfte gut abgestützt werden. Das Stützelement besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder einem harten Kunststoff.

Die Isolierschicht trägt bevorzugt metallische Kontaktelemente, die mit den Enden der Wicklung elektrisch verbunden sind. Die Polbaugruppen können dann bei der Fertigung des Schrittmotors nach ihrer Montage an der Halterung auf einfache Weise mit einer Ansteuereinrichtung für die Wicklungen elektrisch verbunden werden.

Vorteilhaft ist, wenn der flussleitende Querschnitt des C-Kerns jeweils zum Luftspalt hin abnimmt. Dadurch ergibt sich in dem Luftspalt eine größere Flussdichte, wodurch beim Bestro- men der Wicklungen auf die weichmagnetischen Kernteile des Sekundärteils eine höhere Schubkraft ausgeübt wird.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Schrittmotor zur Erfassung der Relativposition zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Induktivität mindestens einer Wicklung auf. Da sich die Induktivität der Wicklung in Abhängigkeit von der Lage der weichmagnetischen Kernteile relativ zu den C-Kernen verändert, kann aus der gemessenen Induktivität die Relativposition zwischen Primärteil und Sekundärteil bestimmt werden. Zum Messen der Induktivität wird bevorzugt ein hochfrequenter Teststrom in die Wicklung eingespeist. Vorzugsweise wird die Induktivität aller Wicklungen gemessen.

Vorteilhaft ist, wenn die Messeinrichtung zum Vergleichen eines Messsignals für die Induktivität mindestens einer Wicklung mit einem vorgegebenen Referenzbereich mit einer Vergleichseinrichtung verbunden ist, und wenn ein Ausgang der Vergleichseinrichtung zum Kommutieren der Wicklungen in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs mit einem Steuereingang einer Ansteuereinrichtung für die Wicklungen verbunden ist. Wenn sich ein Kemteil dem Luftspalt nähert, steigt der Induktivitätswert an. Bei einem bestimmten Schwellwert wird die Bestromung der vorherigen Polbaugruppe gestoppt und die zuvor messende Polbaugruppe wird bestromt. Hierdurch wir eine hohe Dynamik erreicht.

Die Ansteuereinrichtung ist bevorzugt zum Einspeisen eines pulsierenden, Pulsphasen und Pulsphasen aufweisenden Haltestroms in mindestens eine Wicklung ausgestaltet, wobei die Messeinrichtung Mittel zum Messen der Induktivität der Wicklung in den Pulspausen aufweist. Somit kann die Relativposition zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil auch während der Haltephase auf einfache Weise gemessen werden. Beim Auftreten einer Abweichung zwi-

schen der gemessenen Relativposition und einem Sollwert für die Halteposition kann die Be- stromung der Wicklung derart geändert werden, dass sich die Abweichung reduziert. In einer symmetrischen Anordnung, bei der eine mittlere Polbaugruppe die Haltefunktion übernimmt, kann zur Prüfung der Position auch die Induktivität der beiden Rand-Polbaugruppen gemessen und mit dem Sollwert verglichen werden. Steigt der Betrag des Vergleichswerts über einen Schwellwert, wird bestromt. Reicht die Kraft der haltenden Polbaugruppe nicht aus, so kann zusätzlich jener Randpol kurzzeitig bestromt werden, dessen Induktivität niedriger ist.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist das Sekundärteil als drehbar an dem Primärteil gelagerte Scheibe ausgebildet, wobei die Polbaugruppen am Umfang der Scheibe angeordnet sind. Dabei können die drei Polbaugruppen nahezu beliebig am Umfang der Scheibe verteilt angeordnet sein. Der Wickelabstand muss lediglich ein gerades Vielfaches eines Drittels des Winkels zwischen den mit dem Schrittmotor anzufahrenden Positionen betragen. Ein Stellmotor mit Transversal-Polbaugruppen ist somit sehr bauraumvariabel ausführbar.

Der Schrittmotor kann auch als Linearmotor ausgestaltet sein, wobei die Polbaugruppen parallel zueinander versetzt sind. Auch diese Ausführungsform ermöglicht eine bauraumvari- able Anordnung der Polbaugruppen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Primärteil mit einem mehrere erste Durchtrittsöffnungen für ein Fluid aufweisenden Gehäuse eines Schiebers und das Sekundärteil mit einem bewegbar an dem Gehäuse gelagerten, mindestens eine zweite Durchtrittsöffnung für das Fluid aufweisenden Schiebekörper verbunden, wobei die zweite Durchtrittsöffnung durch entsprechendes Bestromen der Wicklungen wähl- oder wechselweise mit den ersten Durchtrittsöffnung zur Deckung bringbar ist. Mittels des Schiebekörpers kann dann in einer hydraulischen Vorrichtung ein Druckspeicher mit mehreren Stellzylindern verbunden werden.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen ein Primärteil und ein Sekundärteil aufweisenden Reluktanz-Schrittmotor zum Positionieren eines Schiebers,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Magnetpolbaugrup- pe des Reluktanz-Schrittmotors,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die in Fig. 2 gezeigte Magnetpolbaugruppe, wobei die Querschnittsebene rechtwinklig zur Zeichenebene in Fig. 2 und rechtwinklig zur Erstreckungsebene des Sekundärteils verläuft, und wobei das Sekundärteil teilweise dargestellt ist,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Magnetpolbaugruppe,

Fig. 5 einen Querschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel der Magnetpolbaugruppe, und

Fig. 6 eine Seitenansicht der in Fig. 4 und 5 gezeigten Magnetpolbaugruppe.

Ein in Fig. 1 im Ganzen mit 1 bezeichneter, nach dem Reluktanzprinzip arbeitender Schrittmotor weist ein als Stator ausgebildetes Primärteil 2 und ein relativ dazu verdrehbar gelagertes, als Läufer dienendes Sekundärteil 3 auf.

Das Primärteil 2 hat drei in Bewegungsrichtung des Sekundärteils 3 zueinander versetzte, baugleiche Polbaugruppen 4, die jeweils einen weichmagnetischen C-Kern aufweisen, der zwischen seinen einander zugewandten Stirnseitenflächen einen Luftspalt 5 bildet. Die Luftspalte 5 sind in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander angeordnet und seitlich voneinander beabstandet. Die Erstreckungsebenen der C-Kerne sind radial zu einer Rotationsachse 6 angeordnet, um die das Sekundärteil 3 relativ zu dem Primärteil 2 verdrehbar ist. Wie in Fig. 1 erkennbar ist, sind die C-Kerne seitlich voneinander beabstandet.

Die einzelnen C-Kerne sind jeweils mit einer Wicklung 7 bewickelt, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 mit ihrer Achse parallel zur Rotationsachse 6 angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 bis 6 weist die Wicklung 7 zwei Wicklungsspulen auf, die jeweils auf einen mit seiner Längserstreckungsrichtung etwa normal zur Rotationsachse 6 angeordneten Abschnitt des C-Kerns aufgewickelt sind.

Zur Bestromung der Wicklungen 7 sind diese mit einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten, an sich bekannten Ansteuereinrichtung verbunden. Der C-Kern und der Luftspalt 5 bilden einen magnetischen Kreis, in dem der von der Wicklung 7 erzeugte magnetische Fluss transversal zur Bewegungsrichtung 8 des Sekundärteils 3, also in etwa radial zu der Rotationsachse 6 verlaufenden Ebenen geführt ist.

Die C-Kerne der Polbaugruppen 4 sind an einer nicht ferromagnetischen Halterung 9 angeordnet, welche die C-Kerne bügeiförmig miteinander verbindet, an der Halterung 9 ist das Sekundärteil 3 mittels einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Lagerung um die Rotationsachse 6 drehbar gelagert.

Das Sekundärteil 3 hat eine Anzahl von in Bewegungsrichtung 8 zueinander beabstandeten, in die Luftspalte 5 hinein und aus diesen heraus bewegbaren weichmagnetischen Kernteilen 10, deren Abmessungen etwa denen des Luftspalts 5 entsprechen. Die Kernteile 10 sind an einem Randbereich einer nicht ferromagnetischen, um die Rotationsachse 6 relativ zu dem Primärteil verdrehbaren Trägerscheibe 11 angeordnet. Die Kernteile 10 sind bevorzugt in den Werkstoff der Trägerscheibe 11 eingegossen oder mit diesem umspritzt. Um während des Gieß- bzw. Spritzvorgangs das Positionieren der Kernteile 10 zu erleichtern, können diese durch einen schmalen Steg einstückig miteinander verbunden sein. Die Teilung, mit der die Kernteile 10 an der Trägerscheibe 11 angeordnet sind, unterscheidet sich von der Teilung, mit der die Polbaugruppen an der Halterung 9 angeordnet sind. Der Winkel, den die Radialmittelebenen zueinander benachbarter Kernteile 10 zwischen sich einschließen weicht als von dem Winkel, den die von zueinander benachbart nebeneinander angeordneten C-Kernen aufgespannten Ebenen zwischen sich einschließen, ab.

In Fig. 1 ist erkennbar, dass die Polbaugruppen 4 in einem relativ kleinen Segment der Trägerscheibe 11 angeordnet sind, das etwa einen Winkel von 60° überdeckt. In dem verbleibenden Segment der Trägerscheibe 11 sind keine Polbaugruppen 4 vorgesehen. Die Anzahl der Kernteile 10 ist größer als die der Polbaugruppen 4. Dennoch kann jedes Kernteil 10 durch entsprechendes Bestromen der Wicklungen 7 an jeder Polbaugruppe 4 positioniert werden.

Die C-Kerne sind jeweils aus zwei baugleichen, etwa U-förmigen, weichmagnetischen Kernstücken 12 zusammengesetzt. Die Kernstücke 12 weisen jeweils ein erstes Stirnende 13 und ein zweites Stirnende 14 auf. Die Kernstücke 12 grenzen mit ihren ersten, einander zugewandten Stirnenden 13 flächig aneinander an. Dabei ist die Ebene, in der die ersten Stirnenden 13 angeordnet sind, etwa in der Erstreckungsebene der Trägerscheibe 12 angeordnet. Die zweiten Stirnenden 14 der Kernstücke 12 sind durch den Luftspalt 5 voneinander beabstandet.

Die Kernstücke sind aus mehreren zu einem Paket parallel übereinander geschichteten U-förmigen Blechen 15 zusammengesetzt, die aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen, der mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung beschichtet ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 sind die von dem Luftspalt 5 entfernten

Schenkel der Kernstücke 12 in eine Durchtrittsöffnung eines elektrisch isolierenden Spulenkörpers 17 eingesetzt, der mit der Wicklung 7 bewickelt ist. Der Spulenkörper 17 hat einen etwa U-förmigen Querschnitt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 bis 6 sind die C-Keme an ihrem Außenumfang jeweils mit einer elektrischen Isolierschicht 18 beschichtet, die jeweils an den C-Kem angespritzt ist. An die Isolierschicht 18 sind Seitenbegrenzungswände einstückig angeformt, die mit der Isolierschicht 18 einen Spulenkörper bilden. Der aus den Blechen 15 gebildete Blechsstapel hat beidseits Deckbleche 16, die etwas kleinere Abmessungen aufweisen als die zwischen diesen befindlichen Bleche 15. An den Kanten der C-Keme weist die Isolierschicht 18 eine größere Wandstärke auf als an den von den Kanten beabstandeten Stellen.

Wie in Fig. 3 besonders gut erkennbar ist, weisen die Kernteile 10 an ihren dem Luftspalt 5 zugewandten Stirnenden ein Phase auf, welche den flussleitenden Querschnitt des C-Kerns zum Luftspalt 5 hin verjüngt und dadurch in dem Luftspalt 5 eine größere Flussdichte erzeugt.

In Fig. 5 ist erkennbar, dass der Luftspalt 5 durch ein nicht ferromagnetisches Stützelement 19 überbrückt ist, welches die dem Luftspalt zugewandten Enden der Kernteile 10 gegeneinander abstützt und auf Abstand hält.

Das Primärteil 2 ist mit einem Gehäuse eines Schiebers verbunden, das mehrere in Fig. 1 nur schematisch dargestellte erste Durchtrittsöffnungen 20 für ein Fluid aufweist. Die ersten Durchtrittsöffnungen 20 sind von der Rotationsachse 6 radial beabstandet.

Die Trägerscheibe 11 hat eine zweite Durchtrittsöffnung 21 für das Fluid, die als Langloch ausgebildet ist, das sich mit seiner Längsachse etwa radial zur Rotationsachse 6 der Trägerscheibe 11 erstreckt. Durch entsprechendes Bestromen der Wicklungen 7 kann die zweite Durchtrittsöffnung 21 jeweils mit einer der ersten öffnungen 20 zur Deckung gebracht werden. An der zweiten Durchtrittsöffnung 21 ist ein Druckspeicher und an den ersten Durchtrittsöffnung 20 jeweils ein Stellzylinder angeschlossen.

Bezuαszeichenliste

Schrittmotor

Primärteil

Sekundärteil

Polbaugruppe

Luftspalt

Rotationsachse

Wicklung

Bewegungsrichtung

Halterung

Kernteil

Trägerscheibe

Kernstück erstes Stirnende zweites Stirnende

Blech

Deckbleche

Spulenkörper

Isolierschicht

Stützelement erste Durchtrittsöffnung zweite Durchtrittsöffnung