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Schwingungsdämpfung für einen Schrittmotor
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Die Erfindung betrifft die Schwingungsdämpfung kollektorloser elektrischer
Motore, insbesondere mehrphasiger Schrittmotore, Servomotore u.a., wobei das als
Flüssigkeitsdämpfer geeignete Mittel bestimmter Viskosität direkt zwischen Rotor
und Stator angeordnet ist.
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Die Anforderungen hinsichtlich kurzer Beruhigungszeiten an Motore,
die im intermittierenden Betrieb arbeiten (beispielsweise Schrittmotore im Start-Stop-Betrieb),
sind aufgrund schnellerer Positionierung gestiegen, insbesondere bezüglich der Stellungsgenauigkeit
und dem Schwingverhalten der bewegten Masse.
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Gerade im Bereich breiterer Datentechnik mit einer Vielzahl von Geräten
und Maschinen, in denen Datenträger, optische Teile, Verschlüsse, Schreibköpfe usw.
kurzzeitig bewegt werden müssen, beispielsweise in Scannern, Laserbelichtern, geometrischen
Zeichenmaschinen, EDV-Geräten usw., kommt es auf höchste Positioniergenauigkeit
und Stabilität einer angefahrenen Position an.
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Dabei kann das Schwingverhalten der hierfür eingesetzten Schrittmotore,
insbesondere die Ausschwingzeit einer angefahrenen Position zu einer Beeinträchtigung
eines bestimmten erwarteten Ergebnisses führen oder muß als Beruhigungszeit Berücksichtigung
finden.
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Eine geeignete-Maßnahme zur Schwingungsdämpfung und somit Verkürzung
der Beruhigungszeit würde wesentliche Vorteile bringen.
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Mittel zur Bedämpfung von elektrischen Motoren, insbesondere Schrittmotore
sind bekannt, entweder als externe mechanische Dämpfung wie Friktionskupplungen
oder Flüssigkeitsdämpfer oder mittels elektrisch/elektronischer Schaltungen als
Wirbelstromkupplungen (DE-PS 21 61 112) oder anderer Schaltungen, wobei diese intern
wirksam sind.
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Bekannt ist, die Schrittmotorwelle an ihrem sonst freien, gelagerten
Ende zu verlängern und dort eine externe Dämpfungsvorrichtung, beispielsweise eine
Reibungskupplung oder einen ölgefüllten Zusatzbehälter (DE-OS 22 49 648) anzubringen.
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Nachteilig dabei ist, daß man dadurch ein zusätzliches Massenträgheitsmoment
auf die Motorwelle erhält, was wiederum die zu erzielende Wirkung mindert.
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Die zusätzliche Unterbringung eines öldämpfers bedingt einerseits
die konstruktive Änderung der Abgangswelle des Motors, und andererseits muß ein
zusätzlicher Raumbedarf ebenfalls konstruktiv berücksichtigt werden. Ein nachträgliches
Umrüsten eines Schrittmotors ist somit auch nur bedingt möglich.
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Durch die DE-OS 25 39 437 ist ein mehrphasiger Schrittmotor bekannt,
der einen abgedichteten Antriebsbereich mit Stator/Rotor aufweist und bei dem die
Abtriebswelle über einen mit Öl gefüllten Getrieberaum nach außen geführt wird.
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Auch hier bedarf es zusätzlicher mechanischer Bauteile zur besonderen
Abdichtung und Erzielung eines Dämpfungseffektes durch besondere Ausgestaltung des
Getriebeteiles. Damit erhöht
sich wiederum das Summenträgheitsmoment.
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Schließlich ist noch eine interne Rotordämpfung eines Schrittmotors
bekannt, bei dem der Rotor aus einem gezahnten Rohr und einem darin befindlichen,
in Öl gelagerten Weicheisenkern besteht. Der Kern wirkt hier als Schwingungsdämpfer
und wird auch zur notwendigen Flußführung benutzt. Dadurch bedingt, muß zwischen
Rohr und Kern ein sehr enger Spalt vorgesehen sein und damit eine Minderung des
eigentlichen Dämpfungseffektes, wenn nicht gar ein instabiles Verhalten der viskosen
Flüssigkeit auftritt.
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Es ist somit von einem bekannten Stand der Technik auszugehen, daß
Flüssigkeitsdämpfer an Schrittmotoren zusätzliche mechanische Vorrichtungen benötigen.
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Demgegenüber hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine bestmögliche
Bedämpfung zur Minderung der Schwingneigung von Schrittmotoren aufzuzeigen, ohne
dabei das aus Rotor und äußere Last gebildete Summenträgheitsmoment zu erhöhen und
die bisherigen Proportionen unbedämpfter Schrittmotore unverändert beizubehalten.
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Nach der Erfindung können somit Schrittmotore auf überraschend einfache
Art und Weise bedämpft werden, indem das Dämpfungsmittel den Rotor umgibt, d.h.,
der Schrittmotor wird direkt mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt. Als Dämpfungsmittel
hat sich hierbei ein Siliconöl mit angepaßter Viskosität und folgenden Grundeigenschaften
bewährt:
1. Nicht elektrisch leitfähig 2. Neutral gegenüber Metallen,
Nichtmetallen 3. Schmier- und gleitfähig 4. Resistent gegenüber Temperaturschwankungen
5. Gute Wärmeleitfähigkeit 6. Träger für Magnetteilchen (als Ferrofluid) 7. Extrem
geringer Dampfdruck Die sich ergebenden Vorteile durch die Erfindung sind im wesentlichen
darin erkennbar, daß zur Bedämpfung von Schrittmotoren minimale zusätzliche Massenträgheitsmomente
durch den Anbau einer Dämpfungsvorrichtung auftreten. Damit wird die theoretisch
kürzeste Einstellzeit erreicht.
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Ein weiterer Vorteil liegt in der nunmehr verbesserten Wärmeableitung
durch die direkte Füllung des Schrittmotores mit einer entsprechenden Flüssigkeit,
wie weiter unten noch näher beschrieben wird.
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Durch die Erfindung wird weiterhin erreicht, daß eine starke Abnahme
des Geräuschpegels zu verzeichnen ist, nicht nur am Schrittmotor selbst, sondern
es wird auch eine Geräuschdämpfung der über die Motorwelle angetriebenen Teile (Zahnräder,
Spindeln, usw.) erreicht. Dies ist besonders bei Motoren mit bestimmter Schrittfrequenz
während des Dauerbetriebes, beim "Hochlaufen" oder im unrhythmischen Arbeitszustand,
vorteilhaft.
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Als Ergebnis der Erfindung ist es nunmehr möglich, bereits im Einsatz
befindliche oder konstruktiv vorgesehene Schrittmotore, bei denen eine Bedämpfung
notwendig wird, noch nachträglich umzurüsten oder auszutauschen, da keine Änderung
der äußeren Proportionen von Schrittmotoren erfolgt; teils kann sogar der Motor
original wiederverwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend anhand eines Beispieles
und von Zeichnungen näher beschrieben und erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 schematisch
einen Schrittmotor bekannter Bauart, Fig. 2 das Schwingverhalten eines unbedämpften
Schrittmotors, Fig. 3 das Schwingverhalten eines nunmehr bedämpften Schrittmotors.
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Fig. 1 zeigt die wesentlichsten Teile eines Schrittmotors bekannter
Bauart. Die Motorwelle 1 ist mit dem Rotor 2 verbunden, wobei die Welle 1 mittels
eines vorderen Lagers 3 am Flansch 4 und durch ein hinteres Lager 5 am Deckel 6
gelagert ist. Der Stator 7 besteht bekanntermaßen aus Wicklungen 8 mit entsprechenden
Blechpaketen und ist am Gehäuse 9 befestigt.
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Ein derartiger Schrittmotor kann als mehrphasiger Motor aufgebaut
sein, beispielsweise als 5-Phasen-Schrittmotor mit bis zu 9000 Schritten pro Umdrehung.
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Derartige Motoren finden Verwendung überall da, wo in kürzester Zeit
bei absoluter Positioniergenauigkeit diskrete Wege zurückgelegt werden müssen.
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Nach der Erfindung wird nun zur Schwingungsdämpfung direkt in den
Raum zwischen Rotor und Stator eine Spezialflüssigkeit 10 eingefüllt. Vorzugsweise
wird ein Siliconöl mit bestimmter berechneter Viskosität verwendet. Siliconöl hat
all jene hervorragenden Eigenschaften, welche elektrisch, chemisch, mechanisch und
wärmemäßig benötigt werden, um als Dämpfungsmittel direkt
zwischen
Stator und Rotor wirken zu können, und kann als Träger für magnetische Teilchen
dienen (Ferrofluid zur gesteuerten Dämpfung und/oder Magnetfeldführung). Neben dem
erzielbaren Dämpfungseffekt, wie weiter unten noch näher erläutert wird, wurden
mit der Anwendung von Siliconöl weitere Eigenschaften des Motors verbessert. Zunächst
bewirkt das praktisch erprobte Öl einen verbesserten Wärmetransport zum Gehäuse
des Motors hin, insbesondere beim Dauerbetrieb unter Last. Die völlige Verwirblung
des Öls wird durch die gezahnte oder genutete Oberfläche des Rotors und die ebenfalls
ungleichmäßige Statoroberfläche unterstützt.
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Des weiteren bewirkt die direkte Öldämpfung des Rotors eine wesentliche
Geräuschminderung des gesamten Motors; ein deutlicher Rückgang der Körperschallübertragung
wird beobachtet.
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Die Viskosität der Flüssigkeit sollte je nach Verwendungsart des Schrittmotors,
d.h., an die Massebelastung der Motorwelle angepaßt werden. Für einen Anwendungsfall
mit wenig Massebelastung wird die Viskosität höher liegen, auch in Anpassung an
die Betriebsart und -dauer des jeweiligen Schrittmotortypes.
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Schrittmotore sind in der Regel so aufgebaut, daß die Motorwelle in
Kugellager gelagert ist. Bei der nach der Erfindung erfolgten Nutzungsweise mit
einem Siliconöl direkt im Motorraum werden die Kugellager zwar in keiner Weise durch
das Siliconöl beeinträchtigt, doch sollten die nach außen offenen Lager nunmehr
mittels einer handelsüblichen einfachen Gummidichtung oder mittels einer Ferrofluiddichtung
versehen werden.
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Für den Motor nach Fig. 1 sollte dementsprechend das Lager 3 zur Welle
1 abgedichtet sein.
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Aus dem bisher vorstehend Gesagten gilt somit, daß bereits eingesetzte
Schrittmotore, deren Schwingverhalten besonders störend ist, nunmehr auf einfache
Art und Weise austauschbar sind und sogar direkt wieder-verwendbar sind.
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Im Zusammenhang mit der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, anstelle
von abgedichteten Kugellagern ein Ferrofluid-Dichtelement zu verwenden. Diese Dichtelemente
mit Ferrodichtung eignen sich vorzüglich zum Abdichten von Wellen, wobei keine Abnutzungseffekte
auftreten. Die steuerbaren Reibungsverluste können außerordentlich gering sein,
und es erfolgt eine vollkommene Abdichtung auch bei schnelleren Rotationen. Dabei
wird die Lagerreibung als Dämpfung mitbenutzt. Derartige Dichtelemente bestehen
aus einer magnetischen Flüssigkeit und kleinen Magnetit-oder Ferritpartikeln von
etwa 10 nm und werden mittels eines von außen angelegten Feldes eines Magneten in
den abzudichtenden Spalt gesaugt. Derartige Dichtelemente sind anstelle der Lager
3 und 5 des Motors nach Fig. 1 vorgesehen.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen nun das Schwingverhalten eines Schrittmotors
ohne Dämpfung (Fig. 2) und mit Dämpfung nach Fig. 3.
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Es wurde ein 5-phasiger Schrittmotor mit einem Massenträgheitsmoment
von kleiner 70 gcm2 an der Motorwelle belastet. Der Motor hat 500 Schritte pro Umdrehung
und wurde mit einer Frequenz von 800 Hz... 3 KHz gefahren. Die Figuren zeigen den
Motor im reversiblen Betrieb. Der Drehwinkel betrug jeweils 28 Schritte, entsprechend
ca. 21 O.
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Nach Fig. 2 zeigt das Oszillatorbild den Verlauf der Bewegung für
eine Hinbewegung durch die Linie 12 und eine Rückbewegung
durch
die Linie 11. Die linke senkrechte Bezugskante 20 ist der jeweilige Startpunkt,
und man erkennt, daß jeweils an den Punkten 13/14 die neue Position erreicht ist
und der Motor stoppt. Deutlich ist das Weiterschwingen erkennbar.
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Fig. 3 zeigt den gleichen Motor nunmehr mit einer Bedämpfung nach
der Erfindung. Die Kurven 15 und 16 zeigen nunmehr einen fast idealen gradlinigen
Anstieg und absoluten Stillstand nach dem Motorstopp (Punkte 17, 18); bei gesteuerten
Motoren wird die theoretisch kürzeste Einstellzeit damit erreicht.
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L e e s e i t e