Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor für einen Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a stepper motor for an actuator according to the preamble of claim 1.
Solche Aktuatoren werden beispielsweise für Abgasklappen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Die Abgasklappen sitzen auf Klappenwellen als Antriebswellen, damit sie aus einer Offenstellung in Richtung auf eine Schließstellung verstellt werden können. Zum Antrieb der Klappenwelle dient ein Schrittmotor, der über ein Stirnradgetriebe die Klappenwelle antreibt.Such actuators are used for example for exhaust valves of internal combustion engines. The exhaust valves sit on the valve shafts as drive shafts, so that they can be adjusted from an open position in the direction of a closed position. To drive the valve shaft is a stepper motor, which drives the valve shaft via a spur gear.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Schrittmotor so auszubilden, dass bei einfacher und kostengünstiger Herstellung und Montage ein hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig exakter Positionierung der Antriebswelle gewährleistet ist.The invention has the object of providing the generic stepper motor in such a way that with simple and cost-effective production and assembly, a high efficiency is ensured at the same time exact positioning of the drive shaft.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Schrittmotor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved in the generic stepper motor according to the invention with the characterizing features of claim 1.
Der erfindungsgemäße Schrittmotor ist elektronisch kommutiert und wird mit nur zwei Phasen angesteuert. Der Stator und der ihn umgebende Rotor haben eine unterschiedliche Zahl von Statorarmen und Zähnen. So kann der Stator beispielsweise acht Statorarme haben, während der Rotor beispielsweise zehn Zähne aufweist. Da die Statorarme und die Zähne über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind, haben die Statorarme in diesem Fall einen Winkelabstand von 45° und die Zähne einen Winkelabstand von 36°. Aus der Differenz dieser unterschiedlichen Winkelabstände ergibt sich im Halbschrittbetrieb die Schrittweite des Schrittmotors. Beim Bestromen der Spulen im Halbschrittbetrieb wandert das erzeugte Drehfeld jeweils um den Winkelabstand, den die Statorarme voneinander haben. Der Rotor selbst legt nur einen Winkelweg entsprechend der Schrittweite des Schrittmotors zurück. Dadurch ergibt sich eine entsprechende Drehzahluntersetzung. Durch die Zahl der Statorarme und der Rotorzähne kann das Untersetzungsverhältnis gewählt werden. Der erfindungsgemäße Schrittmotor hat dadurch sehr kompakte Abmessungen. Aufgrund der elektronischen Kommutierung des Schrittmotors ergibt sich ein gutes EMV-Verhalten sowie eine nur geringe Geräuschentwicklung im Betrieb.The stepper motor according to the invention is electronically commutated and is driven with only two phases. The stator and the surrounding rotor have a different number of stator arms and teeth. For example, the stator may have eight stator arms while the rotor has ten teeth, for example. Since the stator arms and the teeth are arranged distributed uniformly over the circumference, the stator arms in this case have an angular distance of 45 ° and the teeth at an angular distance of 36 °. From the difference between these different angular distances results in half-step operation, the step size of the stepping motor. When the coils are energized in half-step mode, the generated rotating field in each case moves by the angular distance which the stator arms have from each other. The rotor itself only returns one angular path corresponding to the step size of the stepper motor. This results in a corresponding speed reduction. Due to the number of stator arms and the rotor teeth, the reduction ratio can be selected. The stepper motor according to the invention thereby has very compact dimensions. Due to the electronic commutation of the stepper motor results in a good EMC behavior and low noise during operation.
Wird der Schrittmotor in einen Aktuator eingebaut, kann dieser sehr einfach und kompakt ausgebildet sein. Aufgrund des Untersetzungsverhältnisses des Schrittmotors kann beispielsweise wenigstens eine Getriebestufe zum Antrieb der Antriebswelle eingespart werden. Die Einsparung wenigstens einer Getriebestufe ergibt einen sehr hohen Wirkungsgrad des Aktuators bzw. des Schrittmotors. Außerdem kann aufgrund der dadurch erreichten geringeren Teilezahl der Aktuator bzw. der Schrittmotor kostengünstig hergestellt und montiert werden.If the stepper motor is installed in an actuator, this can be made very simple and compact. Due to the reduction ratio of the stepping motor, for example, at least one gear stage for driving the drive shaft can be saved. The saving of at least one gear stage results in a very high efficiency of the actuator or of the stepping motor. In addition, the actuator or the stepping motor can be manufactured and assembled cost-effectively due to the smaller number of parts achieved thereby.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Stator mit acht Statorarmen versehen, die sich gleichmäßig über den Umfang verteilen. Ein solcher Stator lässt sich einfach fertigen und mit den Spulen versehen.In an advantageous embodiment, the stator is provided with eight stator arms, which are distributed uniformly over the circumference. Such a stator can be easily manufactured and provided with the coils.
Einander gegenüberliegende Spulen liegen vorteilhaft in Serie, was die Ansteuerung der Spulen erleichtert.Opposed coils are advantageously in series, which facilitates the control of the coils.
Die einander gegenüberliegenden Spulen können auch parallel geschaltet sein.The opposing coils can also be connected in parallel.
Zur Ansteuerung der Spulen werden vorteilhaft zwei H-Brücken eingesetzt, deren Schalter programmgesteuert geöffnet und geschlossen werden. Mit den beiden H-Brücken können die Spulen in einfacher Weise zuverlässig angesteuert werden.To control the coils advantageously two H-bridges are used, the switches are programmatically opened and closed. With the two H-bridges, the coils can be reliably controlled in a simple manner.
Der Rotor weist vorteilhaft zehn Zähne auf, die über den Umfang des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Durch eine solche Ausbildung ergibt sich eine ausreichend geringe Schrittweite sowie ein ausreichend hohes Untersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl des Rotors und der Drehzahl des Drehfeldes, das bei der Bestromung der Spulen entsteht.The rotor advantageously has ten teeth, which are arranged distributed uniformly over the circumference of the rotor. Such a design results in a sufficiently small step size and a sufficiently high reduction ratio between the rotational speed of the rotor and the rotational speed of the rotating field, which results from the energization of the coils.
Die Drehzahl des Rotors ist vorteilhaft gegenüber der Drehzahl dieses Drehfeldes untersetzt, wodurch es z. B. möglich ist, auf wenigstens eine Getriebestufe zwischen dem Schrittmotor und der Antriebswelle zu verzichten, wenn der Schrittmotor in einen Aktuator eingebaut ist.The speed of the rotor is advantageous compared to the speed of this rotating field stocky, making it z. B. is possible to dispense with at least one gear stage between the stepping motor and the drive shaft when the stepper motor is installed in an actuator.
Vorteilhaft ist der Stator unmittelbar auf einer Leiterplatte montiert, was zur einfachen und kostengünstigen Herstellung und Montage beiträgt.Advantageously, the stator is mounted directly on a printed circuit board, which contributes to the simple and cost-effective production and assembly.
Die Leiterplatte trägt außerdem die Ansteuerelektronik für den Schrittmotor.The PCB also carries the drive electronics for the stepper motor.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Further features of the invention will become apparent from the other claims, the description and the drawings.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it
1 in Draufsicht einen Aktuator mit einem erfindungsgemäßen Schrittmotor, 1 in plan view an actuator with a stepper motor according to the invention,
2 einen Schnitt längs der Linie II-II in 1, 2 a section along the line II-II in 1 .
3 eine Schaltungsanordnung für den erfindungsgemäßen Schrittmotor, 3 a circuit arrangement for the stepper motor according to the invention,
4 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte, auf der ein Stator des erfindungsgemäßen Schrittmotors befestigt ist, 4 a plan view of a printed circuit board on which a stator of the stepping motor according to the invention is attached,
5 die Spulen des Stators mit der zugehörigen Schaltung, 5 the coils of the stator with the associated circuit,
6 den Rotor des erfindungsgemäßen Schrittmotors in einer Ausgangsstellung, bei der der Stator nicht bestromt ist. 6 the rotor of the stepping motor according to the invention in an initial position in which the stator is not energized.
7 bis 14 unterschiedliche Stellungen des Rotors sowie des Drehfeldes beim Bestromen des Stators. 7 to 14 different positions of the rotor and the rotating field when energizing the stator.
Der Schrittmotor 1 arbeitet nach dem Reluktanzprinzip und ist in einen Aktuator (1) eingebaut und wird beispielhaft zur Positionierung einer Antriebswelle genutzt, auf der eine Klappe sitzt, mit der ein Durchlassquerschnitt in einem Abgasrohr, in einem Ansaugrohr oder dergleichen eingestellt werden kann. Der Schrittmotor ist elektronisch kommutiert.The stepper motor 1 operates on the reluctance principle and is in an actuator ( 1 ) and is used by way of example for positioning a drive shaft, on which a flap sits, with which a passage cross-section in an exhaust pipe, in an intake pipe or the like can be adjusted. The stepper motor is electronically commutated.
Der im Folgenden beschriebene Aktuator ist nur beispielhaft zu verstehen. Die Verwendung des Schrittmotors ist auf diesen Anwendungsfall nicht beschränkt.The actuator described below is only to be understood as an example. The use of the stepper motor is not limited to this application.
Der Schrittmotor 1 ist in einem Gehäuse 2 untergebracht, das einen Boden 3, Seitenwände 4 bis 7 und einen Deckel 8 aufweist. Der Schrittmotor 1 ist in der einen Hälfte des Gehäuses 2 untergebracht und hat einen Rotor 9, der einen Stator 10 umgibt. Der Rotor 9 ist drehfest mit einer Abtriebswelle 11 verbunden, die den Stator 10 zentral durchsetzt und mit beiden Enden am Boden 3 sowie am Deckel 8 des Gehäuses 2 drehbar gelagert ist. Im Bereich zwischen dem Schrittmotor 1 und dem Gehäuseboden 3 sitzt auf der Abtriebswelle 11 ein Zahnrad 12, das in Eingriff mit einem Zahnrad 13 ist. Es sitzt auf einer Antriebswelle 14, die aus dem Deckel 8 des Gehäuses 2 ragt und im Deckel 8 sowie am Boden 3 drehbar gelagert ist.The stepper motor 1 is in a housing 2 housed a floor 3 , Side walls 4 to 7 and a lid 8th having. The stepper motor 1 is in one half of the case 2 housed and has a rotor 9 that is a stator 10 surrounds. The rotor 9 is non-rotatable with an output shaft 11 connected to the stator 10 centrally interspersed and with both ends on the ground 3 as well as on the lid 8th of the housing 2 is rotatably mounted. In the area between the stepper motor 1 and the caseback 3 sits on the output shaft 11 a gear 12 Engaging with a gear 13 is. It sits on a drive shaft 14 coming out of the lid 8th of the housing 2 sticks out and in the lid 8th as well as on the ground 3 is rotatably mounted.
Der Stator 10 des Schrittmotors 1 ist auf einer Leiterplatte 15 befestigt, die von der Abtriebswelle 11 sowie der parallel zu ihr liegenden Antriebswelle 14 durchsetzt ist. Die beiden Zahnräder 12, 13, die sich im Bereich zwischen der Leiterplatte 15 und dem Boden 3 des Gehäuses 2 befinden, sind Stirnzahnräder und bilden ein einstufiges Untersetzungsgetriebe, mit dem die Drehzahl der Abtriebswelle 11 in die Drehzahl der Antriebswelle 14 untersetzt wird. Im Ausführungsbeispiel beträgt das Untersetzungsverhältnis 9:1. Je nach Einsatzfall kann auch ein anderes Untersetzungsverhältnis der Stirnradstufe 12, 13 vorgesehen sein.The stator 10 of the stepper motor 1 is on a circuit board 15 attached by the output shaft 11 and the drive shaft lying parallel to it 14 is interspersed. The two gears 12 . 13 that is in the area between the circuit board 15 and the floor 3 of the housing 2 are spur gears and form a single-stage reduction gear, with the speed of the output shaft 11 in the speed of the drive shaft 14 is reduced. In the exemplary embodiment, the reduction ratio is 9: 1. Depending on the application, also a different reduction ratio of the spur gear 12 . 13 be provided.
Auf der Leiterplatte 15 ist auf der vom Schrittmotor 1 abgewandten Seite eine Ansteuerelektronik 57 für den Schrittmotor 1 vorgesehen. An einer der Gehäuseseitenwände ist wenigstens ein Stecker 58 zur Strom/Spannungsversorgung vorgesehen. Wie 2 zeigt, ist das Gehäuse 2 sehr kompakt ausgebildet. Dies ist u. a. darauf zurückzuführen, dass der Schrittmotor 1 und die zugehörige Ansteuerelektronik 57 nebeneinander sowie in der oberen Hälfte des Gehäuseinnenraumes angeordnet sind. Die Leiterplatte 15 dient als eine Art Begrenzung, die den Schrittmotor 1 und die Ansteuerelektronik 57 vom Untersetzungsgetriebe 12, 13 trennt, das sich unterhalb der Leiterplatte befindet. Darüber hinaus ist im Bereich neben dem Untersetzungsgetriebe 12, 13 unterhalb der Leiterplatte 15 ausreichend Einbauraum vorhanden, um dort beispielsweise den Stecker 58 sowie eventuell weitere Bauteile unterzubringen.On the circuit board 15 is on the stepper motor 1 remote side a control electronics 57 for the stepper motor 1 intended. At one of the housing side walls is at least one plug 58 intended for power / voltage supply. As 2 shows, is the case 2 very compact. This is partly due to the fact that the stepper motor 1 and the associated control electronics 57 are arranged side by side and in the upper half of the housing interior. The circuit board 15 serves as a kind of boundary that the stepper motor 1 and the control electronics 57 from the reduction gear 12 . 13 separates, which is located below the circuit board. In addition, in the area next to the reduction gear 12 . 13 below the circuit board 15 sufficient installation space available, there, for example, the plug 58 as well as possibly to accommodate further components.
Aufgrund der besonderen Gestaltung des Schrittmotors 1, die im Nachfolgenden noch erläutert werden wird, reicht ein einstufiges Getriebe 12, 13 für den Aktuator aus. Dadurch kann der Aktuator sehr kompakt ausgebildet sein, so dass er nur einen geringen Einbauraum benötigt.Due to the special design of the stepper motor 1 , which will be explained below, a single-stage gear is sufficient 12 . 13 for the actuator. As a result, the actuator can be made very compact, so that it requires only a small installation space.
Der Stator 10 kann aus Trafoblechen gestanzt oder auch erodiert oder lasergeschnitten sein, die zu einem Statorpaket verbunden werden. Im Ausführungsbeispiel hat er acht radial abstehende Arme 16 bis 23, die in Winkelabständen von 45° angeordnet und jeweils gleich ausgebildet sind. Von den acht Armen 16 bis 23 sind vier Arme 16, 18, 20, 22 jeweils mit einer Spule 24 bis 27 versehen. Da die Arme 16 bis 23 über ihre radiale Länge konstanten Querschnitt haben, können die Statorspulen 24 bis 27 auf Standard-Spulenkörper gewickelt werden, wodurch sich eine einfache und kostengünstige Ausführung ergibt. Anstelle der Spulen mit Spulenkörper können selbstverständlich auch Spulen ohne solche Spulenkörper eingesetzt werden, beispielsweise Backlack-Spulen.The stator 10 can be stamped from transformer plates or also eroded or laser cut, which are connected to a stator. In the exemplary embodiment, it has eight radially projecting arms 16 to 23 , which are arranged at angular intervals of 45 ° and each formed the same. From the eight arms 16 to 23 are four arms 16 . 18 . 20 . 22 each with a coil 24 to 27 Mistake. Because the arms 16 to 23 have constant cross-section over their radial length, the stator coils 24 to 27 be wound on standard bobbin, resulting in a simple and inexpensive execution. Of course, coils without such bobbins can be used instead of coils with bobbin, for example, baked-enamel coils.
Der Rotor 9 kann aus gestanzten Trafoblechen hergestellt werden, die in bekannter Weise zu einem Rotorpaket aufeinandergesetzt und miteinander verbunden werden. Vorteilhaft wird der Rotor 9 aus einem magnetisch leitfähigen Material gespritzt, beispielsweise aus einem Kunststoff, in den Partikel aus magnetischem Material eingebettet sind. Auf diese Weise kann der Rotor 9 äußerst kostengünstig hergestellt werden.The rotor 9 can be made from stamped Trafo sheets, which are stacked in a known manner to a rotor package and connected together. Advantageous is the rotor 9 molded from a magnetically conductive material, for example made of a plastic, are embedded in the particles of magnetic material. In this way, the rotor can 9 be produced extremely inexpensively.
Der Rotor 9 lässt sich auch aus einem Magnetring herstellen, das heißt, er besteht aus in Umfangsrichtung aneinandergesetzten Permanentmagneten. Dadurch ändern sich die Ansteuerung der Spulen sowie die Drehbewegung nicht. Allerdings sind das Drehmoment sowie das Haltemoment höher als bei einem Rotor, der nicht aus Permanentmagneten gebildet ist.The rotor 9 can also be made from a magnetic ring, that is, it consists of circumferentially juxtaposed permanent magnet. As a result, the control of the coils and the rotational movement do not change. Indeed the torque and the holding torque are higher than in a rotor, which is not formed from permanent magnets.
Wird der Rotor 9 aus magnetisierbarem Material gespritzt, sind die Daten des Schrittmotors 1 in vorteilhafter Weise skalierbar.Will the rotor 9 molded from magnetizable material, are the data of the stepper motor 1 scalable in an advantageous manner.
Jeweils zwei der Spulen 24 bis 27 werden in Serie geschaltet (5), wobei die beiden Spulenpaare 24, 26 und 25, 27 über jeweils eine H-Brücke 28, 29 angesteuert werden. Die H-Brücke 28 hat die Schalter T1 bis T4 und die H-Brücke 29 die Schalter T5 bis T8. Die Schalter T1 bis T8 verbinden eine Plusleitung 31 mit einer Minusleitung 32 derart, dass die Zu- und Rückleitungen zwischen den Spulen 24 bis 27 und den H-Brüchen 28, 29 nur über die Schalter mit der Plusleitung 31 oder der Minusleitung 32 verbunden werden können. Zwischen den Schaltern T1 und T2 ist eine Leitung 36 mit der Spule 24 angeschlossen. Sie ist über eine Leitung 37 mit der Spule 26 verbunden, die über eine Leitung 38 zwischen den Schaltern T3 und T4 angeschlossen ist.Two of the coils each 24 to 27 are connected in series ( 5 ), where the two coil pairs 24 . 26 and 25 . 27 via one H-bridge each 28 . 29 be controlled. The H bridge 28 has the switches T1 to T4 and the H-bridge 29 the switches T5 to T8. The switches T1 to T8 connect a positive line 31 with a negative lead 32 such that the supply and return lines between the coils 24 to 27 and the H-breaks 28 . 29 only via the switches with the positive line 31 or the minus line 32 can be connected. Between the switches T1 and T2 is a line 36 with the coil 24 connected. She is over a line 37 with the coil 26 connected via a line 38 connected between the switches T3 and T4.
Zwischen den Schaltern T5 und T6 ist eine Leitung 39 der Spule 27 angeschlossen. Sie ist über eine Leitung 40 mit der Spule 25 verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 41 zwischen den Schaltern T7 und T8 angeschlossen ist.Between the switches T5 and T6 is a line 39 the coil 27 connected. She is over a line 40 with the coil 25 connected, in turn, via a line 41 is connected between the switches T7 and T8.
Der den Stator 10 umgebende Rotor 9 hat im Ausführungsbeispiel eine Innenverzahnung 42 (3) mit zehn gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Zähnen 43 bis 52. Die Zähne haben somit einen Winkelabstand von 36° zueinander. Der Unterschied der Winkel der Arme 16 bis 23 des Stators 10 (45°) und der Zähne des Rotors 9 (36°) ist die Schrittweite des Schrittmotors im Halbschrittbetrieb, die beim Ausführungsbeispiel 9° beträgt. Daraus ergibt sich, dass der Schrittmotor 40 Halb-Schritte für eine Umdrehung des Rotors 9 ausführt.The the stator 10 surrounding rotor 9 has in the exemplary embodiment an internal toothing 42 ( 3 ) with ten evenly distributed around the circumference arranged teeth 43 to 52 , The teeth thus have an angular distance of 36 ° to each other. The difference of the angle of the arms 16 to 23 of the stator 10 (45 °) and the teeth of the rotor 9 (36 °) is the step size of the stepping motor in half-step operation, which is 9 ° in the embodiment. It follows that the stepper motor 40 Half-steps for one turn of the rotor 9 performs.
Anhand der 6 bis 14 wird die schrittweise Drehung des Rotors 9 gegenüber dem Stator 10 und die Erzeugung der Drehfelder erläutert, die beim Bestromen der Spulen 24 bis 27 entstehen.Based on 6 to 14 becomes the stepwise rotation of the rotor 9 opposite the stator 10 and the generation of the rotating fields explained during the energizing of the coils 24 to 27 arise.
6 zeigt beispielhaft eine Ausgangsstellung, bei welcher der Arm 16 des Stators 10 dem Zahn 43 des Rotors 9 gegenüberliegt. Die Schalter T1 bis T8 sind geöffnet. Da alle Schalter offen sind, kann kein Strom von der Leitung 31 zu den Spulen fließen. Im unbestromten Zustand hat der Schrittmotor 1 kein Polrastmoment, da der Rotor 9 keine Permanentmagnete aufweist. Wie sich aus der beschriebenen Schaltung und aus 5 ergibt, braucht der Schrittmotor, obwohl er zweiphasig ist, keine Anlaufhilfe, da er in noch zu beschreibender Weise im Halbschrittbetrieb betrieben wird. 6 shows an example of a starting position in which the arm 16 of the stator 10 the tooth 43 of the rotor 9 opposite. The switches T1 to T8 are open. Since all switches are open, no power can be taken from the line 31 flow to the coils. In the de-energized state has the stepper motor 1 no Polrastmoment, because the rotor 9 has no permanent magnets. As is clear from the circuit described and from 5 gives the stepper motor, although it is two-phase, no start-up help, since it is operated in a manner to be described in half-step mode.
In einem ersten Schritt (7) werden die Schalter T3, T5, T2, T8 geschlossen, während die anderen Schalter T1, T4, T6, T7 offen bleiben. Dadurch kann der Strom über die Leitung 31, den geschlossenen Schalter T3 und die Leitung 38 zur Spule 26 fließen. Über die Leitung 37, die gegenüberliegende Spule 24 und die Leitung 36 fließt der Strom über den geschlossenen Schalter T2 zur Leitung 32.In a first step ( 7 ), the switches T3, T5, T2, T8 are closed while the other switches T1, T4, T6, T7 remain open. This allows the power through the line 31 , the closed switch T3 and the line 38 to the coil 26 flow. About the line 37 , the opposite coil 24 and the line 36 the current flows via the closed switch T2 to the line 32 ,
Ein weiterer Stromweg ergibt sich über die Leitung 31, den geschlossenen Schalter T5, die Leitung 39, die Spule 27, die Leitung 40, die Spule 25, die Leitung 41 und den geschlossenen Schalter T8 zur Leitung 32.Another current path results via the line 31 , the closed switch T5, the line 39 , the sink 27 , The administration 40 , the sink 25 , The administration 41 and the closed switch T8 to the line 32 ,
Wenn die Spulen 24 bis 27 bestromt werden, stellt sich die Lage des Rotors 9 jeweils so ein, dass das Magnetfeld den geringst möglichen magnetischen Widerstand (Reluktanz) hat. Die bei der Ansteuerung der Spulen 24 bis 27 entstehenden magnetischen Feldlinien sind mit 53 bis 56 bezeichnet. Die magnetischen Feldlinien verlaufen durch die Arme 16, 17/17, 18/20, 21/21, 22 des Stators 10 sowie durch den Rotor 9 im Bereich zwischen den genannten Statorarmen. Durch die unterschiedliche Ansteuerung der Spulen 24 bis 27 entstehen magnetische Pole an den Spulen, die durch die magnetischen Feldlinien 53 bis 56 über den Luftspalt und den Rotor 9 verbunden werden. In 7 sind die Nord- und Südpole mit N bzw. S bezeichnet.When the coils 24 to 27 be energized, the position of the rotor 9 in each case so that the magnetic field has the lowest possible magnetic resistance (reluctance). The in the control of the coils 24 to 27 resulting magnetic field lines are with 53 to 56 designated. The magnetic field lines pass through the arms 16 . 17 / 17 . 18 / 20 . 21 / 21 . 22 of the stator 10 as well as through the rotor 9 in the area between said stator arms. Due to the different control of the coils 24 to 27 Magnetic poles are created on the coils by the magnetic field lines 53 to 56 over the air gap and the rotor 9 get connected. In 7 the north and south poles are denoted by N and S, respectively.
Ein Vergleich der 6 und 7 zeigt, dass der Rotor 9 sich im Uhrzeigersinn in eine definierte Lage gegenüber dem Stator 10 gedreht hat.A comparison of 6 and 7 shows that the rotor 9 in a clockwise direction in a defined position relative to the stator 10 has turned.
Die Linien 53 bis 56 geben schematisiert den Verlauf der Magnetlinien an. Der Verlauf der Feldlinien ist durch Pfeile gekennzeichnet. Die Feldlinien 53 und 56 in 7 verlaufen links herum und die Feldlinien 54 und 55 rechts herum.The lines 53 to 56 schematically indicate the course of the magnetic lines. The course of the field lines is indicated by arrows. The field lines 53 and 56 in 7 run left around and the field lines 54 and 55 right round.
Bleiben die Schalter T2, T3 geschlossen und die übrigen Schalter werden geöffnet (8), führt dies dazu, dass die magnetischen Feldlinien 53 bis 56 nunmehr durch die Arme 16, 17/23, 26/20, 21/19, 20 des Stators 10 sowie durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen verlaufen. Durch die Umschaltung der Schalter entstehen im Vergleich zur Schaltstellung nach 7 neue magnetische Feldlinien, die durch die Statorarme 23, 16 und 19, 20 sowie durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen verlaufen. Der Einfachheit halber sind diese neu entstandenen magnetischen Feldlinien wiederum mit 54 und 56 bezeichnet worden. Die magnetischen Feldlinien 53 und 55 haben ihre Lage und ihre Drehrichtung im Vergleich zur Schaltstellung nach 7 nicht geändert.Stay the switches T2, T3 closed and the remaining switches are opened ( 8th ), this causes the magnetic field lines 53 to 56 now through the arms 16 . 17 / 23 . 26 / 20 . 21 / 19 . 20 of the stator 10 as well as through the rotor 9 run in the area between these stator arms. Switching over the switches results in comparison to the switching position 7 new magnetic field lines passing through the stator arms 23 . 16 and 19 . 20 as well as through the rotor 9 run in the area between these stator arms. For the sake of simplicity, these newly formed magnetic field lines are again with 54 and 56 have been designated. The magnetic field lines 53 and 55 have their position and their direction of rotation in comparison to the switching position 7 not changed.
Die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 hat somit ihre Lage bezüglich der Gesamtheit der Feldlinien nach 7 im Gegenuhrzeigersinn um 45° geändert.The entirety of the field lines 53 to 56 thus has its position regarding the totality of Field lines after 7 changed counterclockwise by 45 °.
Der Rotor 9 hat nur einen Winkelweg von 9° zurückgelegt. Bei der Schaltstellung nach 8 werden nur die Spulen 24, 26 bestromt.The rotor 9 has only covered an angle of 9 °. At the switching position after 8th only the coils 24 . 26 energized.
Im nächsten Schritt (9) bleiben die Schalter T2, T3 geschlossen. Außerdem werden die Schalter T6, T7 geschlossen, wodurch die Spulen 25 und 27 im Vergleich zu 7 umgepolt werden. Dies hat zur Folge, dass alle Spulen 24 bis 27 des Stators 10 bestromt werden. Die Stromwege sind in diesem Falle aber 31, T3, 38, 26, 37, 24, 36, T2, 32 und 31, T7, 41, 25, 40, 27, 39, T6, 32.In the next step ( 9 ), the switches T2, T3 remain closed. In addition, the switches T6, T7 are closed, causing the coils 25 and 27 compared to 7 be reversed. As a result, all coils 24 to 27 of the stator 10 be energized. The current paths are in this case but 31 , T3, 38 . 26 . 37 . 24 . 36 , T2, 32 and 31 , T7, 41 . 25 . 40 . 27 . 39 , T6, 32 ,
Die magnetischen Feldlinien 53 bis 56 verlaufen jetzt durch die Arme 22, 23/23, 16/18, 19/19, 20 des Stators 10 und durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen. Die Schalterumschaltung führt dazu, dass im Vergleich zur Schaltstellung nach 8 die neuen magnetischen Feldlinien 53 und 55 auf der anderen Seite der magnetischen Feldlinien 54 und 56 gebildet werden. Die neuen magnetischen Feldlinien 53, 55 verlaufen durch die Statorarme 22, 23; 18, 19 und durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen. Die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 hat auf diese Weise ihre Lage in Bezug auf die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 nach 8 im Gegenuhrzeigersinn um 45° geändert. Der Rotor 9 hat einen Drehweg von 9° entgegen dem Uhrzeigersinn zurückgelegt. Das Drehzahlverhältnis beträgt somit wiederum 1:5.The magnetic field lines 53 to 56 now pass through the arms 22 . 23 / 23 . 16 / 18 . 19 / 19 . 20 of the stator 10 and through the rotor 9 in the area between these stator arms. The switching of the switch leads to that in comparison to the switching position 8th the new magnetic field lines 53 and 55 on the other side of the magnetic field lines 54 and 56 be formed. The new magnetic field lines 53 . 55 pass through the stator arms 22 . 23 ; 18 . 19 and through the rotor 9 in the area between these stator arms. The entirety of the field lines 53 to 56 In this way it has its position in relation to the whole of the field lines 53 to 56 to 8th changed counterclockwise by 45 °. The rotor 9 has made a 9 ° counterclockwise turn. The speed ratio is thus again 1: 5.
In der Schaltstellung gemäß 10 bleiben die Spulen 25, 27 bestromt. Hierfür bleiben die Schalter T6 und T7 geschlossen, während die restlichen Schalter der beiden H-Brücken 28, 29 geöffnet sind. Der Stromweg ist 31, T7, 41, 25, 40, 27, 39, T6, 32. Die magnetischen Feldlinien 53 bis 56 verlaufen nunmehr durch die Statorarme 21, 22/22, 23/17, 18/18, 19 und durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen. Ein Vergleich der beiden Schaltstellungen gemäß den 9 und 10 zeigt, dass durch die Schalterumschaltung die neuen magnetischen Feldlinien 54 und 56 auf der anderen Seite der magnetischen Feldlinien 53 und 55 gebildet worden sind. Die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 hat ihre Lage in Bezug auf die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 nach 9 im Gegenuhrzeigersinn um 45° geändert. Der Rotor 9 hat lediglich einen Drehweg von 9° zurückgelegt.In the switching position according to 10 stay the coils 25 . 27 energized. For this purpose, the switches T6 and T7 remain closed, while the remaining switches of the two H-bridges 28 . 29 are open. The power path is 31 , T7, 41 . 25 . 40 . 27 . 39 , T6, 32 , The magnetic field lines 53 to 56 now pass through the stator arms 21 . 22 / 22 . 23 / 17 . 18 / 18 . 19 and through the rotor 9 in the area between these stator arms. A comparison of the two switch positions according to the 9 and 10 shows that the switching of the new magnetic field lines 54 and 56 on the other side of the magnetic field lines 53 and 55 have been formed. The entirety of the field lines 53 to 56 has its location in relation to the totality of the field lines 53 to 56 to 9 changed counterclockwise by 45 °. The rotor 9 has only traveled a turning of 9 °.
Bei der nächsten Schalterstellung nach 11 werden wieder alle Spulen 24 bis 27 des Stators 10 bestromt. Hierzu werden die Schalter T1, T4 geschlossen, wodurch die Spulen 24 und 26 im Vergleich zu 9 umgepolt werden. T6 und T7 bleiben geschlossen, während die anderen Schalter der beiden H-Brücken 28, 29 geöffnet bleiben. Dies führt zu den Stromwegen 31, T1, 36, 24, 37, 26, 38, T4, 32 und 31, T7, 41, 25, 40, 27, 39, T6, 32. Die magnetischen Feldlinien 53 bis 56 verlaufen durch die Statorarme 20, 21/21, 22/16, 17/17, 18 und durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen. Wie ein Vergleich der beiden Schaltstellungen nach den 10 und 11 zeigt, werden durch die Schalterumschaltung die neuen magnetischen Feldlinien 53 und 55 auf der anderen Seite der magnetischen Feldlinien 54 und 56 gebildet. Die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 hat ihre Lage in Bezug auf die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 nach 10 im Gegenuhrzeigersinn um 45° geändert. Der Rotor 9 hat nur einen Drehweg von 9° zurückgelegt.At the next switch position after 11 again all coils 24 to 27 of the stator 10 energized. For this purpose, the switches T1, T4 are closed, whereby the coils 24 and 26 compared to 9 be reversed. T6 and T7 remain closed, while the other switches of both H-bridges 28 . 29 stay open. This leads to the electricity routes 31 , T1, 36 . 24 . 37 . 26 . 38 , T4, 32 and 31 , T7, 41 . 25 . 40 . 27 . 39 , T6, 32 , The magnetic field lines 53 to 56 pass through the stator arms 20 . 21 / 21 . 22 / 16 . 17 / 17 . 18 and through the rotor 9 in the area between these stator arms. Like a comparison of the two switch positions after the 10 and 11 shows, the switch switching the new magnetic field lines 53 and 55 on the other side of the magnetic field lines 54 and 56 educated. The entirety of the field lines 53 to 56 has its location in relation to the totality of the field lines 53 to 56 to 10 changed counterclockwise by 45 °. The rotor 9 has only covered a turning of 9 °.
Im nächsten Schaltschritt nach 12 bleiben die Schalter T1 und T4 geschlossen, während die restlichen Schalter der beiden H-Brücken 28, 29 geöffnet werden. Bei dieser Schalterstellung werden lediglich die Spulen 24 und 26 bestromt, während die beiden anderen Spulen 25, 27 stromlos sind.In the next switching step after 12 The switches T1 and T4 remain closed, while the remaining switches of the two H-bridges 28 . 29 be opened. In this switch position, only the coils 24 and 26 energized while the other two coils 25 . 27 are de-energized.
Der Strompfad ist 31, T1, 36, 24, 37, 26, 38, T4, 32. Die magnetischen Feldlinien 53 bis 56 verlaufen durch die Statorarme 19, 20/20, 21/23, 16/16, 17 und durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen. Ein Vergleich der beiden Schaltstellungen nach den 11 und 12 zeigt, dass durch die Schalterumschaltung die neuen magnetischen Feldlinien 54 und 56 auf der anderen Seite der magnetischen Feldlinien 53 und 55 erzeugt werden. Die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 hat ihre Lage in Bezug auf die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 nach 11 im Gegenuhrzeigersinn um 45° geändert. Der Rotor 9 hat einen Weg von 9° entgegen dem Uhrzeigersinn zurückgelegt.The current path is 31 , T1, 36 . 24 . 37 . 26 . 38 , T4, 32 , The magnetic field lines 53 to 56 pass through the stator arms 19 . 20 / 20 . 21 / 23 . 16 / 16 . 17 and through the rotor 9 in the area between these stator arms. A comparison of the two switching positions after the 11 and 12 shows that the switching of the new magnetic field lines 54 and 56 on the other side of the magnetic field lines 53 and 55 be generated. The entirety of the field lines 53 to 56 has its location in relation to the totality of the field lines 53 to 56 to 11 changed counterclockwise by 45 °. The rotor 9 has traveled a 9 ° counterclockwise path.
In der Schaltstellung nach 13 bleiben die Schalter T1, T4 geschlossen. Die Schalter T5, T8 werden geschlossen, wodurch die Spulen 24 und 26 im Vergleich zu 11 umgepolt werden. Die übrigen Schalter sind geöffnet. Alle Spulen 24 bis 27 werden bestromt. Die Strompfade sind 31, T1, 36, 24, 37, 26, 38, T4, 32 und 31, T5, 39, 27, 40, 25, 41, T8, 32. Die magnetischen Feldlinien 53 bis 56 verlaufen durch die Statorarme 18, 19/19, 20/22, 23/23, 16 und durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen. Aufgrund der Schalterumstellung werden die neuen magnetischen Feldlinien 53 und 55 auf der anderen Seite der magnetischen Feldlinien 54 und 56 erzeugt, bezogen auf die Schaltstellung nach 12. Die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 hat ihre Lage in Bezug auf die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 nach 12 im Gegenuhrzeigersinn um 45° geändert. Der Rotor 9 hat einen Winkelweg entgegen dem Uhrzeigersinn von 9° zurückgelegt.In the switching position to 13 the switches T1, T4 remain closed. The switches T5, T8 are closed, causing the coils 24 and 26 compared to 11 be reversed. The other switches are open. All coils 24 to 27 are energized. The rungs are 31 , T1, 36 . 24 . 37 . 26 . 38 , T4, 32 and 31 , T5, 39 . 27 . 40 . 25 . 41 , T8, 32 , The magnetic field lines 53 to 56 pass through the stator arms 18 . 19 / 19 . 20 / 22 . 23 / 23 . 16 and through the rotor 9 in the area between these stator arms. Due to the switchover, the new magnetic field lines will become 53 and 55 on the other side of the magnetic field lines 54 and 56 generated, based on the switching position to 12 , The entirety of the field lines 53 to 56 has its location in relation to the totality of the field lines 53 to 56 to 12 changed counterclockwise by 45 °. The rotor 9 has traveled an angular path counterclockwise of 9 °.
Im nächsten Schaltschritt gemäß 14 bleiben die Schalter T5 und T8 geschlossen und die anderen Schalter werden geöffnet. Dadurch bleiben nur die Spulen 25, 27 bestromt, während die Spulen 24, 26 unbestromt sind. Der Strompfad ist 31, T5, 39, 27, 40, 25, 41, T8, 32. Die magnetischen Feldlinien 53 bis 56 verlaufen durch die Statorarme 17, 18/18, 19/21, 22/22, 23 und durch den Rotor 9 im Bereich zwischen diesen Statorarmen. Die Schalterumstellung führt wiederum dazu, dass die neuen magnetischen Feldlinien 54 und 56 auf der anderen Seite der magnetischen Feldlinien 53 und 55 gebildet werden, bezogen auf die Schaltstellung nach 13. Die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 hat ihre Lage in Bezug auf die Gesamtheit der Feldlinien 53 bis 56 nach 13 im Gegenuhrzeigersinn um 45° geändert. Der Rotor 9 hat einen Drehweg von 9° entgegen dem Uhrzeigersinn zurückgelegt, bezogen auf die Schaltstellung gemäß 13.In the next switching step according to 14 the switches T5 and T8 remain closed and the other switches are opened. This leaves only the coils 25 . 27 energized while the coils 24 . 26 are not energized. The current path is 31 , T5, 39 . 27 . 40 . 25 . 41 , T8, 32 , The magnetic field lines 53 to 56 pass through the stator arms 17 . 18 / 18 . 19 / 21 . 22 / 22 . 23 and through the rotor 9 in the area between these stator arms. The switchover switch in turn causes the new magnetic field lines 54 and 56 on the other side of the magnetic field lines 53 and 55 be formed, based on the switching position after 13 , The entirety of the field lines 53 to 56 has its location in relation to the totality of the field lines 53 to 56 to 13 changed counterclockwise by 45 °. The rotor 9 has traveled a rotation of 9 ° counterclockwise, based on the switching position according to 13 ,
Auf die beschriebene Weise wird durch taktweises Umschalten der entsprechenden Schalter der H-Brücken 28, 29 der Schrittmotor stufenweise betätigt, wobei acht Schaltschritte vorgesehen sind, um die Feldlinien 53 bis 56 in der beschriebenen Weise schrittweise über 360° umzuschalten. Dadurch entsteht ein virtuelles Drehfeld, das für eine Umdrehung acht Schaltschritte benötigt. Für eine Umdrehung des Rotors 9 sind 40 Schaltschritte erforderlich.In the manner described is by cyclically switching the corresponding switch of the H-bridges 28 . 29 the stepper motor is stepped, with eight switching steps provided to the field lines 53 to 56 gradually switch over 360 ° in the manner described. This creates a virtual rotating field that requires eight switching steps for one revolution. For one revolution of the rotor 9 40 switching steps are required.
Der beschriebene elektronisch kommutierte Schrittmotor zeichnet sich durch ein gutes EMV-Verhalten aus. Er arbeitet lastunabhängig, solange das maximal mögliche Drehmoment nicht überschritten wird, da die Drehzahl nur von der Schrittfrequenz abhängig ist. Mit dem Schrittmotor ist eine exakte Positionierung der Antriebswelle 14 gewährleistet, da die Position des Rotors 9 ohne Rückmeldung durch Mitzählen der Schaltschritte stets bekannt ist, solange das maximal mögliche Drehmoment nicht überschritten wird. Die Position des Rotors 9 kann über ein entsprechendes Haltemoment festgehalten werden, das über den Spulenstrom gesteuert wird. Der Schrittmotor zeigt ein exaktes Start-, Stopp- und Drehzahlverhalten.The described electronically commutated stepper motor is characterized by a good EMC behavior. It works independently of load, as long as the maximum possible torque is not exceeded, since the speed depends only on the step frequency. With the stepper motor is an exact positioning of the drive shaft 14 ensures the position of the rotor 9 is always known without feedback by counting the switching steps, as long as the maximum possible torque is not exceeded. The position of the rotor 9 can be held over a corresponding holding torque, which is controlled by the coil current. The stepper motor shows an exact start, stop and speed behavior.
Die Antriebswelle 14 lässt sich durch die schrittweise Ansteuerung des Motors exakt positionieren. Durch die Vorgabe der Schrittfrequenz ist eine exakte Regelung der Drehzahl möglich. Auch das Drehmoment lässt sich durch Beeinflussung des Stromes durch die Statorspulen 24 bis 27 optimal regeln. Der Schrittmotor zeichnet sich außer durch das gute EMV-Verhalten auch durch eine sehr geringe Geräuschentwicklung aus.The drive shaft 14 can be precisely positioned by stepwise control of the motor. By specifying the step frequency, an exact control of the speed is possible. The torque can also be controlled by influencing the current through the stator coils 24 to 27 optimally regulate. The stepper motor is characterized not only by the good EMC behavior but also by a very low noise level.
Durch die beschriebene Ausbildung des Stators 10, bei dem lediglich die übernächsten Arme gewickelt sind, sowie durch die ungleiche Anzahl der Statorpole und der Rotorpole wird ein magnetischer Fluss erzeugt, der durch sehr kurze Wege zwischen den Statorwicklungen 24 bis 27 und dem Rotor 9 einen niedrigen magnetischen Widerstand ermöglicht. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel dreht sich der außen laufende Rotor 9 mit einer Drehzahl, die fünf Mal geringer ist als die Drehzahl des Drehfeldes 53 bis 56. Dadurch ist, ähnlich wie bei einer Getriebeuntersetzung, eine Erhöhung des Drehmoments sowie eine Reduzierung der Drehzahl bei gleicher Leistung möglich. Eine Verschlechterung des Wirkungsgrades durch Getriebeverluste wird somit vermieden.By the described configuration of the stator 10 , in which only the next but one arms are wound, as well as the unequal number of stator poles and the rotor poles, a magnetic flux is generated by very short paths between the stator windings 24 to 27 and the rotor 9 allows a low magnetic resistance. In the described embodiment, the rotor running outside rotates 9 at a speed five times lower than the speed of the rotating field 53 to 56 , As a result, similar to a gear reduction, an increase in torque and a reduction in speed at the same power possible. A deterioration of the efficiency by transmission losses is thus avoided.
Der Schrittmotor lässt sich einfach und damit preisgünstig herstellen. Die Montage unmittelbar auf der Leiterplatte 15, auf der sich auch die Ansteuerungselektronik 57 befindet, trägt zur einfachen Fertigung und zur einfachen Montage bei.The stepper motor can be easily and inexpensively manufactured. The mounting directly on the circuit board 15 , on which also the control electronics 57 , contributes to easy manufacturing and easy assembly.
Aufgrund der hohen Untersetzung aufgrund des beispielhaften Drehverhältnisses von 1:5 von Rotor 9 und Drehfeld 53 bis 56 kann eine Getriebestufe innerhalb des Aktuators eingespart werden. Es reicht ein einstufiges Getriebe 12, 13 aus. Dadurch ergibt sich auch ein hoher Wirkungsgrad. Der Schrittmotor hat ein hohes Drehmoment, da der Luftspalt zwischen dem Rotor 9 und den Statorarmen 16 bis 23 einen großen Durchmesser hat. Wenn die Geschwindigkeit des Schrittmotors Null ist, lässt sich der Rotor durch Regeln des Stromes in einer gewünschten Position halten. Im unbestromten Zustand hat der Schrittmotor nur ein geringes Rastmoment, solange der Rotor 9 nicht aus Permanentmagneten gebildet ist. Das geringe Rastmoment erlaubt es, beispielsweise mit Hilfe einer (nicht dargestellten) Rückholfeder den Rotor in eine definierte Ausgangslange zurückzuholen, falls der Schrittmotor beschädigt sein sollte (Fail Safe).Due to the high reduction ratio due to the exemplary ratio of 1: 5 rotor 9 and rotating field 53 to 56 a gear stage within the actuator can be saved. A single-stage gear is enough 12 . 13 out. This also results in a high efficiency. The stepper motor has a high torque because of the air gap between the rotor 9 and the stator arms 16 to 23 has a large diameter. When the speed of the stepper motor is zero, the rotor can be held in a desired position by controlling the current. In the de-energized state, the stepper motor has only a small cogging torque as long as the rotor 9 not formed from permanent magnets. The low cogging torque makes it possible, for example, with the help of a (not shown) return spring to retrieve the rotor in a defined output length, if the stepper motor should be damaged (Fail Safe).
Wenn es notwendig ist, ein höheres Rastmoment zu erhalten, kann der Rotor 9 aus Permanentmagneten gebildet sein.If it is necessary to get a higher cogging torque, the rotor can 9 be formed of permanent magnets.
Zur Ansteuerung des Schrittmotors können herkömmliche Ansteuerungsverfahren eingesetzt werden, beispielsweise die Ansteuerung im Halbschritt-Betrieb.For driving the stepping motor, conventional driving methods can be used, for example triggering in half-step mode.
Die Doppel-H-Brücke 28, 29 ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel in den Schrittmotor 1 integriert. Es ist aber auch möglich, diese Schaltung als Zusatz zum Schrittmotor vorzusehen, die an den Schrittmotor extern angeschlossen wird.The double H bridge 28 . 29 is in the described embodiment in the stepper motor 1 integrated. But it is also possible to provide this circuit as an addition to the stepper motor, which is connected externally to the stepper motor.
