CH677710A5 - - Google Patents

Description

1

CH677 710 A5

2

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor mit permanentmagnetischer Phase, der zur Umwandlung diskreter elektrischer Signale in mechanische Bewegung dient. Er ist insbesondere überall dort vorteilhaft anwendbar, wo mechanische Positionieraufgaben zu erfüllen sind, die durch digital arbeitende elektronische Systeme gesteuert werden sollen und durch lange und häufige Verweilzeiten gekennzeichnet sind. Solche Motoren sind für den Einsatz in der Druck-, Bearbeitungs- und Handhabetechnik geeignet und können zum Beispiel Drucker- und Schreibmaschinenwalzen, Belichtungsköpfe, Bohrer, Greifer und andere Werkzeuge bewegen.

Üblicherweise werden Permanentmagnete in Schrittmotoren eingesetzt, um elektrische Wicklungen bipolar nutzen zu können. Eine Haltekraft im stromlosen Zustand kann dabei nicht zu den entscheidenden Effekten gezählt werden.

Bei einigen Hybridmotoren ist diese Erscheinung in geringem Masse zu beobachten. Indem sich die Magnetflüsse nicht völlig gleichmässig auf die Motorpole aufteilen, entstehen Restkräfte bzw. Restmomente, die jedoch nur etwa 6% bis 10% der elektrisch erregbaren Kräfte bzw. Momente ausmachen (Braemer: Einfluss von Exzentrizitäten auf das Schrittverhalten von Hybrid-Schrittmotoren, VDI-Berichte Nr. 482, 1983, S. 105ff; und Weinbeck: Der Schrittmotor als Antriebsaggregat in Geräten der Datenverarbeitung, feinwerktechnik + micronic 78(1974)4, S. 146ff). In den meisten Fällen genügen diese geringen Selbsthaltekräfte bzw. -momente nicht, um das zu positionierende Objekt sicher zu fixieren. Auf herkömmliche Art wird deshalb das betreffende Magnetsystem des Schrittmotors fortwährend mit Strom beaufschlagt. Das ist vor allem dort energetisch sehr ungünstig, wo der Einsatzfall des Schrittmotors ein häufiges längeres Verweilen vorsieht. In einer bekannt gewordenen Lösung werden Linearschrittmotoren mit Haltekraft im stromlosen Zustand beschrieben. Der spezielle Vorteil dieser Motoren, nur eine einzige Steuerwicklung zu benötigen, wird dort durch den Nachteil erkauft, dass keine elektrische Schrittweiten-Halbierung möglich ist. Zudem ist der Wirkungsgrad der dort beschriebenen Anordnungen noch sehr gering.

Ziel der Erfindung ist es, den durchschnittlichen Energieverbrauch von Schrittmotoren, deren Betrieb durch relativ grosse Verweilzeiten gekennzeichnet ist, wesentlich zu senken.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schrittmotor zu entwickeln, der im Stillstand eine erhebliche Haltekraft bzw. ein Haltemoment erzeugen kann, ohne dabei ständig Energie zu verbrauchen, und der gleichzeitig die Vorteile herkömmlicher Schrittmotoren, wie Feinpositionierung, aufweist

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

im Falte beispielsweise eines dreiphasigen erfindungsgemässen Schrittmotors enthält dieser ein permanent erregtes und zwei elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme, deren Verzahnungen um +5/12 bzw. -5/12 der Verzahnungs-Periode gegenüber der Verzahnung des permanent erregten Phasen-Magnetsystems versetzt sind. Im Falle eines vierphasigen erfindungsgemässen Schrittmotors enthält dieser ein permanent erregtes und drei elektrisch erregbare Phasen-Magnetsysteme, von denen eins um +3/8, ein weiteres um -3/8 und das dritte um 1/2 der Verzahnungs-Periode gegenüber dem permanent erregten Phasen-Magnetsystem versetzt verzahnt sind.

Beim vierphasigen erfindungsgemässen Schrittmotor kann ferner das dritte, um 1/2 der Verzahnungs-Periode versetzt verzahnte elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem gegebenenfalls fortgelassen werden, wobei dessen Wirkung durch gleichzeitige Aktivierung der benachbarten beiden elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme hervorzurufen ist.

Der erfindungsgemässe Schrittmotor kann so aufgebaut sein, dass alle Phasen-Magnetsysteme einen gemeinsamen ferromagnetischen Rück-schluss besitzen. Ebensogut kann dieser gemeinsame Rückschluss entfallen, wobei ferromagnetische Teile des permanent erregten Phasen-Magnetsystems den elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsystemen mit als Rückschluss dienen, und das permanent erregte Magnetsystem einen eigenen Rückschluss besitzt.

Zur Aktivierung einer anderen als der permanentmagnetischen Phase wird das betreffende elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem bestromt. Die Amplitude der Kraft/Weg-Funktion des elektrisch erregten Phasen-Magnetsystems muss dabei den 2 sin(Phi/2)-fachen Wert der des permanent erregten Phasen-Magnetsystems aufweisen, wobei Phi die in der betreffenden Phase zu erzielende Läufer-Auslenkung ist (eine volle Periode entspricht Phi = 360 Grad). Die Superposition der Kraft/Weg-Funktion des permanent erregten und der des elektrisch erregten Phasen-Magnetsystems ergibt dann eine Kraft/Weg-Funktion, deren Amplitude der des permanent erregten Phasen-Ma-gnetsystems entspricht und deren Nullstelle, welche die magnetische Rast des Läufers bestimmt, mit der in der betreffenden Phase zu erzielenden Auslenkung Phi des Läufers identisch ist. Voraussetzung dafür ist, dass alle Kraft/Weg-Funktionen einen annähernd sinusförmigen Verlauf besitzen.

Der erfindungsgemässe Schrittmotor kann sowohl als Linear- als auch als Rotationsschrittmotor aufgebaut sein.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemässen Schrittmotors besteht in der Kombination der Eigenschaft permanenter Haltekräfte im stromlosen Zustand in einer Stellung pro Periode mit der Fähigkeit der Feinpositionierung. Zudem sind nach Wunsch drei-, vier-, fünf- und mehrphasige Motoren der erfindungsgemässen Art möglich. Im Falle eines vierphasigen Schrittmotors ist sogar eines der drei elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme redundant ohne Einschränkung der Funktionsfähigkeit, wodurch Material gespart und Masse und Volumen verringert werden können.

Die Erfindung wird an drei Ausführungsbeispie-fen anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH 677 710 A5

4

Fig. 1 eine Ausführung als vierphasiger Linearschrittmotor;

Fig. 2 eine Ausführung als dreiphasiger Linearschrittmotor ohne gemeinsamen Rückschluss;

Fig. 3 eine Ausführung als dreiphasiger Rotationsschrittmotor ohne gemeinsamen Rückschluss;

Fig. 4 das Zeigerbild eines dreiphasigen erfindungsgemässen Schrittmotors;

Fig. 5 das Zeigerbild eines vierphasigen erfindungsgemässen Schrittmotors;

Fig. 6 die Kraft/Weg-Funktion eines vierphasigen erfindungsgemässen Schrittmotors über eine Periode.

Das erste Ausführungsbeispiel stellt einen vierphasigen Linearschrittmotor mit gemeinsamem Rückschluss dar (Fig. 1). Dieser besitzt eine verzahnte Statorschiene, welche den ferromagnetischen Rückschluss 1 des Schrittmotors bildet. Entlang dieser Statorschiene bewegt sich der Läufer, welcher vier Phasen-Magnetsysteme enthält, wovon eins ein permanent erregtes Phasen-Magnetsystem 10a ist und einen Permanentmagnet 14 besitzt, während die anderen, elektrisch erregbaren Phasen-Ma-gnetsysteme 10b, 10c, 10d jeweils mit Steuerwicklungen 13 bestückt sind. Die Verzahnungen 15a, 15b, 15c, 15d der Phasen-Magnetsysteme 10a, 10b, 10c, 10d stehen der Verzahnung 5 des ferromagnetischen Rückschlusses 1 nahe gegenüber und sind untereinander versetzt. Die Verzahnung 15b ist gegenüber der Verzahnung 15a um 3/8 der Verzahnungs-Periode versetzt, die Verzahnung 15c um 1/2 und die Verzahnung 15d um 5/8 (= -3/8). Unter der Periode der Verzahnung wird bei Schrittmotoren der Abstand der Mitte eines Zahnes zur Mitte eines benachbarten Zahnes verstanden.

Die Funktion des Schrittmotors nach dem ersten Ausführungsbeispiel soll anhand Fig. 5 verdeutlicht werden. Den vier Phasen sind Läuferpositionen bei 0, 1/4, 1/2 und 3/4 der Periode innerhalb derselben eigen. Unter Berücksichtigung des Umstandes, dass das Phasen-Magnetsystem 10a ständig wirksam ist, müssen die Komponenten, die von den Phasen-Magnetsystemen 10b, 10c, 10d geliefert werden, um 1/4 + Phi/2 versetzt sein (d.h. 3/8,1/2, 5/8) und den 2 sin(Phi/2)-fachen Betrag aufweisen (d.h. -v/2, 2, V2). Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit ist ein etwa sinusförmiger Verlauf der statischen Kraft/Weg-Funktionen der einzelnen Phasen-Magnetsysteme. Fig. 6 zeigt die Verläufe 30a (Phasen-Magnetsystem 10a) und 30b, 30c, 30d (jeweils Phasen-Magnetsystem 10b, 10c bzw. 10d gemeinsam mit 10a erregt). Die Kraft/Weg-Funktionen sind von der Zahngeometrie der Verzahnung abhängig. Die in Fig. 6 dargestellten Funktionen wurden für eine Verzahnung mit 0,6 mm Zahnbreite und 0,6 mm Zahnlückenbreite und einer Zahntiefe von 0,5 mm ermittelt.

Im Falle eines vierphasigen Schrittmotors kann das dem permanent erregten Phasen-Magnetsy-stem 10a gegenüberstehende elektrisch erregbare Phasen-Magnetsystem 10c auch gänzlich entfallen. Dessen Funktion wird ersetzt, indem an dessen Stelle die beiden anderen elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10b und 10d gleichzeitig erregt werden. Die Summe der von ihnen erzeugten Kräfte entspricht in Betrag und Richtung der Kraft, die von dem fortgelassenen Phasen-Magnetsystem erzeugt werden sollte.

Als zweites Ausführungsbeispiel wird ein dreiphasiger Linearschrittmotor mit permanentmagnetischer Phase ohne gemeinsamen Rückschluss aller Phasen-Magnetsysteme beschrieben (Fig. 2). Das permanent erregte Phasen-Magnetsystem 10a ist hierbei als Statorschiene ausgebildet, welche zwei eine Verzahnung 5 tragende ferramagnetische Leitstücke enthält, zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte Permanentmagnete 14 befinden. Den ferromagnetischen Rückschluss des Phasen-Magnetsystems 10a bildet eine kurze Brücke, die im Läufer des Schrittmotors untergebracht ist und über ihre Verzahnung 15a die beiden ferromagnetischen Leitstücke der Statorschiene verbindet. Die elektrisch erregbaren Phasen-Ma-gnetsysteme 10b und 10c sind ebenfalls im Läufer angeordnet und tragen Steuerwicklungen 13, Ihre Verzahnungen 15b, 15c sind gegenüber der Verzahnung 15a um 5/12 bzw. 7/12 (= -5/12) versetzt. Als Rückschlüsse benutzen sie ferramagnetische Leitstücke des Phasen-Magnetsystems 10a, in den Stator bilden. Welche der beiden Leitstücke benutzt werden, ist dabei nicht von Belang. Es sollte jedoch bei der räumlichen Gestaltung Sorge getragen werden, dass Streuflüsse zwischen den beiden ferromagnetischen Leitstücken der Statorschiene nicht oder sehr wenig die Pole 15b und 15c mit durchdringen, da sie dort an den Verzahnungen störende Zusatzkräfte bewirkten.

Als drittes Ausführungsbeispiel wird ein dreiphasiger Rotationsschrittmotor mit permanentmagnetischer Phase ohne gemeinsamen Rückschluss aller Phasen-Magnetsysteme beschrieben (Fig. 3). Das permanent erregte Phasen-Magnetsystem 10a ist hierbei als Rotor ausgebildet, welcher zahnradartige ferramagnetische Leitstücke enthält, zwischen denen sich ein oder mehrere gleichsinnig gepolte Permanentmagnete 14 befinden. Diese Leitstücke tragen jeweils die Verzahnung 5. Den ferromagnetischen Rückschluss 1 des Phasen-Magnetsystems 10a bildet wiederum eine kurze Brücke, die im Stator des Schrittmotors untergebracht ist und über ihre Verzahnung 15a die beiden ferromagnetischen Leitstücke des Rotors verbindet. Die elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme 10b und 10c sind ebenfalls im Stator angeordnet und tragen Steuerwicklungen 13. Ihre Verzahnungen 15b, 15c sind gegenüber der Verzahnung 15a um 5/12 bzw. 7/12 (= -5/12) versetzt. Als Rückschluss benutzen sie ebenfalls die ferromagnetischen Leitstücke des Phasen-Magnetsystems 10a, die hier als zahnradartige Teile den Rotor bilden. Welche der beiden Leitstücke benutzt werden, ist dabei wiederum nicht von Belang.

Anhand Fig. 4 kann die Funktionsweise der Schrittmotoren des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels erklärt werden. Den drei Phasen sind Läuferpositionen bei 0, 1/3 und 2/3 der Periode innerhalb derselben eigen. Unter Berücksichtigung des Umstandes, dass das Phasen-Magnetsystem 10a ständig wirksam ist, müssen die Komponenten,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

mmmt die von den Phasen-Magnetsystemen 10b bzw. 10c geliefert werden, wie beim ersten Ausführungsbeispiel um 1/4 +Phi/2 versetzt sein (d.h. hier 5/12 bzw. 7/12) und ebenfalls wieder den 2 sin(Phi/2)-fachen Betrag aufweisen, was hier jeweils V3 ergibt. Auch hier ist etwa sinusförmiger Verlauf der Kraft/Weg-Funktionen der einzelnen Phasen-Magnetsysteme die Voraussetzung für die ordnungsgemässe Arbeitsweise.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Schrittmotor mit permanentmagnetischer Phase, bestehend aus magnetisch nicht verkoppelten, verzahnte Pole enthaltenden Phasen-Magnetsy-stemen und dazugehörigen verzahnten ferromagnetischen Rückschlüssen, gekennzeichnet dadurch, dass ein permanent erregtes Phasen-Magnetsystem (10a) einen mit ferromagnetischen Leitstücken armierten Permanentmagnet (14) enthält, während die weiteren zwei oder mehr Phasen-Magnetsyste-me als elektrisch erregbare Phasen-Magnetsyste-me (10b, 10c, 10d) aus mit einer Steuerwicklung (13) versehenen Leitstücken bestehen, wobei die Verzahnungen (15b, 15c, 15d) der elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsysteme (10b, 10c, 10d) gegenüber der Verzahnung (15a) des permanent erregten Pha-sen-Magnetsystems (10a) um ein Viertel der Periode plus die Hälfte der in der betreffenden Phase zu erzielenden Läufer-Auslenkung versetzt sind, wobei unter der Periode der Verzahnung der Abstand der Mitte eines Zahnes zur Mitte eines benachbarten Zahnes zu verstehen ist.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Schrittmotor drei Phasen-Ma-gnetsysteme besitzt, wobei die Verzahnungen (15b) des elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsystems (10b) um +3/8 und die Verzahnung (15d) des elektrisch erregbaren Phasen-Magnetsystems (10d) um -3/8 der Verzahnungs-Periode gegenüber der Verzahnung (15a) des permanent erregten Phasen-Magnetsystems (10a) versetzt sind.

3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Schrittmotor als Linearschrittmotor aufgebaut ist.

4. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Schrittmotor als Rotationsschrittmotor aufgebaut ist»

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4