DE1004706B

DE1004706B - Stepper motor with soft iron armature

Info

Publication number: DE1004706B
Application number: DET8420A
Authority: DE
Inventors: Dr Hans Maurer
Original assignee: Telefonbau und Normalzeit GmbH
Current assignee: Tenovis GmbH and Co KG
Priority date: 1953-09-24
Filing date: 1953-09-24
Publication date: 1957-03-21

Description

Schrittschaltmotor mit Weicheisenanker Für den Antrieb von Schrittschaltwerken u. dgl., z. B. für die Fernübertragung von Meßwerten sind Motore mit Weicheisenanker bekannt, deren Stator mit mehreren am Umfang verteilt angeordneten. Polen ausgerüstet ist, welche bei aufeinanderfolgender Erregung ein umlaufendes Magnetfeld erzeugen., daß den Weicheisenanker fortschaltet. Die bekannten Motore dieser Art besitzen bei Steuerung der Felderregung in einer Selbstunterbrecherschaltung eines verhältnismäßig große Drehzahl, welche bei den. verschiedenen Anwendungen eine besondere Untersetzung erfordert. Um die Drehzahl derartiger Motore zu verringern und damit die Abbremsung des Ankers bei Stillsetzung in einer bestimmten Winkelstellung zu erleichtern., ist es möglich, die Zahl der Pole des Stators zu erhöhen oder, wie es eine bekannte Anordnung vorschlägt, auf einer gemeinsamen Motorwelle mehrere gegeneinander versetzte Anker anzuordnen, deren. Erregungswicklungen durch einen gemeinsamen Kollektor nacheinander in dem Sinne erregt werden, daß stets in der gewünschten. Drehrichtung ein Magnetfeld erzeugt wird, das den zugeordneten Anker entsprechend seiner Zahnteilung fortschaltet. Beide Anordnungen erfordern, eine wesentliche Erhöhung des konstruktiven Aufwandes und der Zuleitungen zu den einzelnen Erregerwicklungen.Stepper motor with soft iron armature For driving stepper mechanisms and the like, e.g. B. for the remote transmission of measured values are motors with soft iron armature known, the stator with several arranged distributed on the circumference. Poland equipped which generate a rotating magnetic field with successive excitation., that the soft iron anchor advances. The well-known motors of this type have at Control of field excitation in a self-breaker circuit of a relatively high speed, which at the. different applications a special reduction requires. To reduce the speed of such motors and thus the braking to facilitate the anchor when it comes to a standstill in a certain angular position., it is possible to increase the number of poles of the stator or as it is a known one Arrangement suggests several offset against each other on a common motor shaft To arrange anchors whose. Excitation windings one after the other through a common collector be aroused in the sense that always in the desired. Direction of rotation a magnetic field is generated, which advances the associated armature according to its tooth pitch. Both arrangements require a substantial increase in the design effort and the supply lines to the individual excitation windings.

Die Erfindung bezweckt deshalb, die bekannten Anordnungen zu vereinfachen, und schlägt einen Schrittschaltmotor mit Weicheisenanker vor, dessen, Stator mehrere nacheinander einschaltbare, konzentrisch angeordnete Ringspulen. enthält, die derart in konzentrisch angeordnete und gezahnte Stege aufweisende ringförmige Aussparungen mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt des Stators eingelassen sind, daß die Wandungen der Aussparungen die Spulen von drei Seiten umgreifen und die gezahnten Stege die gegeneinander versetzten Polzahnpaare jeweils eines von mehreren der konzentrisch zueinander angeordneten Erregersysteme bilden. Dadurch ist es möglich, die wirksame Polzahl ohne Vermehrung der Erregungswicklungen zu erhöhen und den Winkel der Einzelschritte des Ankers zu verkleinern, so daß auch die Impulsfrequenz für Fremdsteuerung eines Antriebes erhöht werden kann.The invention therefore aims to simplify the known arrangements, and proposes a stepping motor with a soft iron armature, its stator several concentrically arranged toroidal coils that can be switched on one after the other. contains that such in concentrically arranged and toothed webs having annular recesses are embedded with a preferably rectangular cross-section of the stator that the Walls of the recesses encompass the coils from three sides and the toothed ones Web the mutually offset pole tooth pairs each one of several of the concentric Form mutually arranged excitation systems. This makes it possible to get the most effective To increase the number of poles without increasing the excitation windings and the angle of the individual steps of the armature, so that the pulse frequency for external control of a Drive can be increased.

Wird beispielsweise bei einem dreipoligen Schrittschaltmotor das Polpaar jedes der drei Felder in 2 ₧ 8 Polzähne aufgeteilt, zwischen denen ebenso viele Leitflächen des Ankers umlaufen können, so erhält man eine 24polige Maschine, die sich in ihrer Drehzahl, ihrer Abbremsung und ihrer Reaktion, auf schnelle Impulsfolgen wie ein 24poliger Motor verhält, da der Ankerweg eines Einzelschrittes nur 15° beträgt; dieser Schrittmotor nach der Erfindung benötigt aber nur drei Wicklungen und vier Zuleitungen. Auf diese Weise gelingt es generell, mit dem der Feldzahl entsprechenden Aufwand das Verhalten einer vielpoligen Maschine nachzubilden.For example, in a three-pole stepper motor, the pole pair each of the three fields divided into 2 ₧ 8 pole teeth, between which the same many guide surfaces of the armature can revolve, so you get a 24-pole machine, which in their speed, their deceleration and their reaction to fast pulse trains behaves like a 24-pole motor, since the armature travel of a single step is only 15 °; however, this stepper motor according to the invention only requires three windings and four Supply lines. In this way it is generally possible to use the one corresponding to the number of fields Effort to simulate the behavior of a multi-pole machine.

Weiterer Erfindung gemäß ist der Weicheisenanker mit einer der im Stator untergebrachten Ringspulenanzahl übereinstimmenden Anzahl konzentrischer Ringe versehen, in die gegeneinander versetzte Zähne eingeschnitten sind, die zwischen die ringförmig angeordneten Polzahnpaare der konzentrisch zueinander angeordneten Erregersysteme des Stators ragen. Weitere Merkmale der Erfindung sind der Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.Another invention according to the soft iron anchor with one of the im Stator housed toroidal coil number matching number concentric Rings provided in the mutually offset teeth are cut between the annularly arranged pole tooth pairs of the concentrically arranged Excitation systems of the stator protrude. Further features of the invention are described in the description and to be taken from the claims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt Abb. 1 eine 3polige Maschine mit konzentrisch angeordneten Magnetfeldern im Schnitt, Abb. 2 eine Abwicklung der Pole und Leitflächen der in Abb. 1 dargestellten Maschine, Abb.3 den Verlauf des Drehmomentes in Abhängigkeit von der Ankerdrehung, Abb. 4 Schaltungen für die Steuerung einer 3poligen Maschine in Selbsterregung und durch Fremdimpulse, Abb. 5 und 6 eine 3polige Maschine im Querschnitt und Längsschnitt.An embodiment of the invention is shown in the drawing. Fig. 1 shows a 3-pole machine with concentrically arranged magnetic fields in section, Fig. 2 a development of the poles and guide surfaces of the one shown in Fig. 1 Machine, Fig. 3 the course of the torque as a function of the armature rotation, Fig. 4 Circuits for controlling a 3-pole machine in self-excitation and by external impulses, Fig. 5 and 6 a 3-pole machine in cross-section and longitudinal section.

Bei der in Abb. 1 dargestellten Anordnung sind die drei Erregungswicklungen 31, 32 und 33, welche über den Kollektor 34 nacheinander eingeschaltet werden, konzentrisch angeordnet. Die einzelnen Polzähne 35 bis 38 sind auf konzentrischen Ringen 39 bis 42 angerordnet, zwischen denen die Polzähne 43 bis 45 des Ankers 46 liegen, welcher mit der Welle 47 umläuft. Wie Abb. 2 erkennen läßt, sind, die Polzähne 43, 44 und 45 der drei konzentrischen Reihen des Ankers gegeneinander versetzt, so daß stets die Polzähne einer der Reihen wirksam werden. Über den Kollektor 34 wird die Erregung der Spulen 31, 32, 33 so gesteuert, daß stets diejenigen Polzahnpaare erregt werden, denen Polzähne des Ankers in der Drehrichtung am nächsten liegen. Die in Abb. 2 gezeigte Abwicklung läßt erkennen, daß die Lücke zwischen benachbarten Polzahnpaaren vorteilhaft gleich dem 3fachen Betrag des optimalen Zahnweges abzüglich einer Zahnbreite gemacht wird. Für die Ausnutzung des Momentes der magnetischen Anziehung kommt nicht die ganze zur Verfügung stehende Zahnbreite, sondern entsprechend dem Verlauf des Drehmomentes in Abhängigkeit von der Ankerdrehung, wie in Abb. 3 dargestellt ist, nur zwei Drittel bis drei Viertel der Zahnbreite in Betracht, um den besten Wirkungsgrad zu erzielen.In the arrangement shown in Figure 1, the three are excitation windings 31, 32 and 33, which are switched on one after the other via the collector 34, concentrically arranged. The individual pole teeth 35 to 38 are on concentric rings 39 to 42 arranged, between which the pole teeth 43 to 45 of the armature 46 lie, which rotates with the shaft 47. As Fig. 2 shows, the pole teeth 43, 44 and 45 of the three concentric rows of the anchor offset from one another, so that always the pole teeth of one of the rows take effect. About the collector 34 is the excitation of the coils 31, 32, 33 controlled so that those pole tooth pairs are always excited, which pole teeth of the armature are closest in the direction of rotation. the The development shown in Fig. 2 shows that the gap between adjacent Pole tooth pairs advantageously equal to 3 times the amount of the optimal tooth path minus a tooth width is made. To take advantage of the moment of the magnetic Attraction does not come across the entire face width available, but rather accordingly the course of the torque as a function of the armature rotation, as in Fig. 3 shown, only two-thirds to three-quarters of the face width are considered to be to achieve the best efficiency.

Die Unterteilung der Pole der einzelnen Magnetfelder nach der Erfindung ist nicht auf 3polige Systeme beschränkt, doch lassen sich grundsätzlich mit drei Polen alle praktisch erwünschten Polteilungen herstellen. Der für die Selbststeuerung vorgesehene Kollektor 34 kann vorteilhafterweise zur Umkehrung des Drehsinnes und zur Regulierung der Drehgeschwindigkeit und des Momentes mit einer verschiebbaren Bürste 50 ausgerüstet sein. Der Drehbereich braucht nur das 1½fache der Lamellenbreite zu betragen. Soll der Schrittmotor durch fremderzeugte Impulse schrittweise gesteuert werden, dann ist ein Umsetzer 51 (Abb.4b) erforderlich, welcher jeden einzelnen Impuls in, drei phasenversetzte Impulse für die einzelnen: Wicklungen, 31, 32 und 33 umsetzt.The division of the poles of the individual magnetic fields according to the invention is not limited to 3-pole systems, but basically three Poles produce all practically desired pole pitches. The one for self-control provided collector 34 can advantageously be used to reverse the direction of rotation and to regulate the rotation speed and the moment with a sliding one Brush 50 be equipped. The range of rotation only needs 1½ times the width of the slats to be. Should the stepper motor be controlled step by step by externally generated impulses then a converter 51 (Fig.4b) is required, which each individual Pulse in, three phase-shifted pulses for each: windings, 31, 32 and 33 implements.

Bei der in Abb. 5 und 6 gezeigten Anordnung sind die Spulen 52, 53 und 54 zur Erzeugung der drei Magnetfelder auf drei Kernen 55 angeordnet, welche parallel zu der Welle 56 des Ankers 57 verlaufen.. Die Polkränze 58 und 59 des Stators enthalten drei paarweise gezahnte Abschnitte, von denen jeder einer der Erregungsspulen 52, 53 und 54 zugeordnet ist. Der Anker 57 besitzt nur einen Zahnkranz 60, welcher in dem Ringspalt zwischen den Polkränzen des Stators umläuft. Die drei Magnetfelder sind am Umfang der Polkränze verteilt. Die Anordnung gestattet die Verwendung leicht herzustellender Spulen und eine besonders flache Bauart.In the arrangement shown in Figs. 5 and 6, the coils 52, 53 and 54 for generating the three magnetic fields are arranged on three cores 55, which run parallel to the shaft 56 of the armature 57 .. The pole rings 58 and 59 of the stator contain three pairs of toothed sections, each of which is one of the excitation coils 52, 53 and 54 is assigned. The armature 57 has only one ring gear 60, which rotates in the annular gap between the pole rings of the stator. The three magnetic fields are distributed on the circumference of the polar wreaths. The arrangement allows it to be used easily to be produced coils and a particularly flat design.

Die in Abb. 5 und 6 dargestellte Anordnung erlaubt sogar, bei einer Vielzahl von Zähnen, eine geringe Un-Symmetrie der Zahnzahl je Pol zu dulden, um z. B. bei einer Ausführung mit drei Magnetfeldern. auch Zahnzahlen, die nicht durch 3 teilbar sind, darstellen zu können. So läßt sich z. B. ein Schrittmotor mit 110 gleichmäßig über den Umfang verteilten definierten Einstellagen mit einem solchen Stator versehen, von dem zwei Magnetfelder mit 37 und ein Magnetfeld mit 36 Polzahnpaaren ausgestattet ist. Die Teilung des äußeren Stators und des Rotors kann dann in 110 Winkelabschnitte erfolgen. Die Zahnüberlappung in einem Segment mit nur 36 an Stelle von 37 Zähnen unterscheidet sich dann von den Überlappungen in den anderen Segmenten um 1/37 =etwa 3 0/o, was bei magnetischen Kreisen nicht ins Gewicht fällt.The arrangement shown in Fig. 5 and 6 even allows one Large number of teeth, a slight asymmetry of the number of teeth per pole to tolerate z. B. in an embodiment with three magnetic fields. even tooth numbers that are not through 3 are divisible to be able to represent. So z. B. a stepper motor with 110 Defined setting positions evenly distributed over the circumference with such a Stator provided, of which two magnetic fields with 37 and one magnetic field with 36 pairs of pole teeth Is provided. The division of the outer stator and the rotor can then be performed in 110 Angled sections take place. The tooth overlap in a segment with only 36 in place of 37 teeth then differs from the overlaps in the other segments around 1/37 = about 3 0 / o, which is not important in magnetic circles.

Das Anzugsmoment des mehrpoligen Schrittmotors nach der Erfindung ist erheblich besser als das eines 2poligen oder eines 4poligen Schrittmotors ohne Polaufteilung. Das Laufverhältnis ähnelt dem einer Compoundmaschine. Je nach der Polzahl lassen sich in den meisten Anwendungsfällen die mechanischen Untersetzungen einsparen. Dies gilt z. B. für Antriebe von Wählerschrittschaltwerken für Fernsprechvermittlungseinrichtungen, als Motore für den Antrieb von Fensterkurbeln oder für die Verstellung von Antennen. Die Abbremsung des Ankers geschieht vorteilhaft durch Erregung nur einer Feldspule; dauernde schwache oder regulierbare Erregung einer oder mehrerer Feldspulen ergibt eine magnetische Rastung in den einzelnen Einstellagen. Der Schrittmotor nach der Erfindung kann auch mit Wechselstrom betrieben werden. Die Teile des Stators und des Rotors können in einfacher Weise durch Stanzen und Kaltverformen, Schlagen oder Gießen hergestellt werden. Eine Unterteilung des Eisens ist nicht erforderlich, da die Flußrichtung stets die gleiche ist.The tightening torque of the multi-pole stepper motor according to the invention is considerably better than that of a 2-pole or a 4-pole stepper motor without Pole division. The running ratio is similar to that of a compound machine. Depending on the The number of poles can be adjusted to the mechanical reductions in most applications save on. This applies e.g. B. for drives of selector stepper mechanisms for telephone exchanges, as motors for driving window cranks or for adjusting antennas. The armature is braked advantageously by exciting only one field coil; permanent weak or adjustable excitation of one or more field coils results a magnetic detent in the individual setting positions. The stepper motor after the Invention can also be operated with alternating current. The parts of the stator and of the rotor can be done in a simple manner by punching and cold forming, hammering or Casting are made. A subdivision of the iron is not necessary, because the direction of flow is always the same.

Grundsätzlich kann die Polunterteilung nach der Erfindung auch bei 2poligen Schrittmotoren angewendet werden. Bei diesen. müssen jedoch die Ankerzähne besonders ausgebildet oder die Polzahnpaare des Stators mit Hilfspolen versehen werden, um die Drehrichtung des Ankers festzulegen. Die für Fremdsteuerung notwendige Rastung kann auch hierbei magnetisch mit Hilfe der Zahnung erfolgen.In principle, the pole subdivision according to the invention can also be used in 2-pole stepper motors can be used. With these. however need the anchor teeth specially designed or the pole tooth pairs of the stator are provided with auxiliary poles to determine the direction of rotation of the armature. The one necessary for external control Latching can also be done magnetically with the help of the teeth.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Stepper motor with soft iron armature for the by successive excitation of the distributed around the circumference of the stator Pole the switching of the armature is effected, characterized in that the Stator contains several concentrically arranged toroidal coils that can be switched on one after the other, the annular in such a way arranged in concentrically arranged and toothed webs Recesses with a preferably rectangular cross-section of the stator are made, that the walls, the recesses encompass the coils from three sides and the toothed webs the mutually offset pole tooth pairs each one of several of the concentrically arranged excitation systems.

2. Stepper motor according to claim 1, characterized in that the soft iron anchor with one of the im Stator housed toroidal coil number matching number concentric Rings is provided, in the mutually offset teeth are cut, the between the annularly arranged pole tooth pairs of the concentrically arranged Excitation systems of the stator protrude.

3. Stepper motor according to claim 1, characterized characterized in that several axially parallel cores for the pot-shaped stator housing Receiving excitation coils are arranged, which through a common hollow plate are connected to each other and their outer diameter is smaller than the inner diameter of the edge of the pot so that between the two. an annular air gap for inclusion the teeth of the anchor remains.

4. Stepper motor according to claim 1 to 3, characterized through a collector, over which the individual excitation coils of the multipole Stator are switched on one after the other.

5. Stepper motor according to claim 1 to 3, characterized by a converter which arrives on a line Converts current surges into as many phase-shifted current surges as field excitation coils available. Documents considered: British Patent No. 505 569; U.S. Patent No. 2,538,216.