DE1105508B

DE1105508B - Electric stepper motor

Info

Publication number: DE1105508B
Application number: DEF25442A
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Ross
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1957-04-09
Filing date: 1958-04-05
Publication date: 1961-04-27

Description

Elektrischer Schrittmotor Die Erfindung betrifft einen Schrittmotor, d. h. eine Vorrichtung zur Erzeugung einer schrittweisen Drehbewegung in Abhängigkeit von elektrischen Impulsen wechselnder Polarität.Electric stepper motor The invention relates to a stepper motor, d. H. a device for generating a step-wise rotary motion in dependence of electrical impulses of alternating polarity.

Für viele Zwecke, insbesondere in der elektrischen Meßtechnik, ist es wünschenswert, eine Vorrichtung zu haben, die elektrische Impulse wechselnder Polarität in schrittweise Drehbewegungen umwandelt. Bisher bekannte, für diesen Zweck geeignete Vorrichtungen weisen in der Regel einen Elektromagneten auf, der über eine Klinke ein Klinkenrad antreibt. Derartige Vorrichtungen erfordern beträchtliche Kräfte für den Antrieb; sie arbeiten geräuschvoll, sind hohem Verschleiß unterworfen und nur schwierig in der richtigen Einstellung zu halten.For many purposes, especially in electrical measurement technology, is it is desirable to have a device that alternates electrical pulses Converts polarity into incremental rotary movements. Previously known for this Devices suitable for the purpose usually have an electromagnet that drives a ratchet wheel via a pawl. Such devices require considerable Forces for propulsion; they work noisily and are subject to high wear and tear and difficult to keep in the right attitude.

Es sind bereits Schrittmotoren bekanntgeworden, bei denen erregbare Statorpole mit permanenten Rotorpolen zusammenwirken. Die Ausbildung der Pole des Stators und des Rotors und ihr Zusammenwirken ist dabei derart, daß die Herstellung dieser Motoren relativ aufwendig wird. Außerdem werden für ein betriebssicheres Arbeiten verhältnismäßig große Anforderungen an die Genauigkeit bei der Herstellung gestellt. Diese Nachteile zu beheben, ist Aufgabe der Erfindung.Stepper motors have already become known in which excitable Stator poles interact with permanent rotor poles. The training of the poles of the The stator and the rotor and their interaction is such that the production this engine is relatively expensive. In addition, for a reliable Work relatively high demands on the accuracy of manufacture posed. The object of the invention is to remedy these disadvantages.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer schrittweisen Drehbewegung in Abhängigkeit von elektrischen Impulsen, die Statorpole elektromagnetisch derart erregen, daß benachbarte Pole entgegengesetzte Polarität aufweisen, wobei die Statorpole mit durch einen Dauermagneten erregten Rotorpolen zusammenwirken und besteht im besonderen darin, daß jeder Statorpol als zweiteiliger Spaltpol ausgebildet ist, wobei je ein Teilpol mit einer Dämpferwicklung umgeben ist.The invention relates to a device for generating a step-by-step Rotational movement depending on electrical impulses, the stator poles electromagnetic excite such that adjacent poles are of opposite polarity, where the stator poles interact with rotor poles excited by a permanent magnet and in particular consists in the fact that each stator pole is designed as a two-part shaded pole is, where a partial pole is surrounded by a damper winding.

Bei Einphasenwechselstrommotoren ist es an sich bekannt, Statorpole in zwei Teilpole zu unterteilen, von denen einer von einer Dämpferwicklung umgeben ist, um ein Anlaufmoment mit eindeutiger Drehrichtung zu erhalten. Diese Motoren eignen sich aber nicht ohne weiteres als Schrittmotoren.In single-phase AC motors, it is known per se, stator poles to be divided into two partial poles, one of which is surrounded by a damper winding is to obtain a starting torque with a clear direction of rotation. These engines but are not necessarily suitable as stepper motors.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besitzt deshalb weiterhin eine gemeinsame Erregerspule für die Erregung der verschiedenen Statorteilpole und einen Rotor, dessen Pole die gleiche Winkelteilung wie die magnetisch unverzögerten Pole des Stators besitzen und durch einen gemeinsamen permanenten Magneten magnetisiert werden, und zwar derart, daß jeweils zwei in der Bewegungsrichtung nebeneinanderliegende Pole eine unterschiedliche Polarität aufweisen.The device according to the invention therefore also has a common excitation coil for the excitation of the various stator sub-poles and one Rotor whose poles have the same angular division as the magnetically undelayed poles of the stator and magnetized by a common permanent magnet are, in such a way that two adjacent in the direction of movement Poles have different polarity.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Schrittmotors gemäß der Erfindung dargestellt.In the drawing, an embodiment of a stepping motor is shown in FIG of the invention shown.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen ringschalenförmigen Teil für den Statorkern eines Schrittmotors gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung der Abwicklung zweier in Fig. 1 dargestellter schalenförmiger Teile des Stators, Fig. 3 eine Seitenansicht eines Rotors für den Gebrauch in dem in Fig. 1 dargestellten Stator, Fig. 4 eine Frontansicht des Rotors gemäß der Fig. 3 und Fig. 5 eine schematische Darstellung der gegenseitigen Lage der Polelemente in drei verschiedenen Stellungen des Rotors zur Erläuterung der Wirkungsweise des in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schrittmotors.In detail, Fig. 1 shows a cross section through an annular shell-shaped Part for the stator core of a stepping motor according to the invention, FIG. 2 is a simplified one Schematic representation of the development of two shell-shaped shown in Fig. 1 Parts of the stator, Fig. 3 is a side view of a rotor for use in the 1, FIG. 4 shows a front view of the rotor according to FIG. 3 and 5 a schematic representation of the mutual position of the pole elements in three different positions of the rotor to explain how the 1 to 4 shown stepper motor.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schrittmotors besteht im wesentlichen aus einem Statorkern, einer Erregerspule und einem Rotor. Der Statorkern besteht aus zwei einander gleichen, aus weichem Eisen bestehenden ringschalenförmigen Teilen, von denen eines in Fig. 1 dargestellt und mit a bezeichnet ist. Die zentrale Öffnung ist mit ä bezeichnet, deren nach innen gebogener Rand mit Aussparungen versehen ist, um die gleichmäßig am inneren Umfange verteilten Polelemente c zu bilden. Jeder Teil a besitzt die gleiche Anzahl von längs seines inneren Zylindermantels gleichen Durchmessers verteiI-ten Polelementen c.The illustrated embodiment of a stepper motor according to the invention consists essentially of a stator core, an excitation coil and a rotor. The stator core consists of two identical, made of soft iron annular shell-shaped parts, one of which is shown in Fig. 1 and denoted by a is. The central opening is denoted by ä, its inwardly curved edge is provided with recesses to distribute the evenly on the inner circumference To form pole elements c. Each part a has the same number of along its inner cylinder jacket of the same diameter distributed pole elements c.

Ein aus zwei Ringscheiben bestehender, zur Phasenverschiebung dienender Kupferring d ist auf den Boden jeder Ringschale a gelegt, wobei jedes einzelne Polelement c durch eine entsprechende Öffnung des Ringes d hindurchragt. über dem Kupferring d liegt ein aus weichem Eisen bestehender Ring e, dessen Außenrand f rechtwinklig aufgebogen ist und sich zwischen dem Außenrand des Kupferringes d und dem äußeren Mantel g der zugehörigen Ringschale a befindet, in den er mit Preßsitz eingefügt ist.A copper ring d consisting of two ring disks and used for phase shifting is placed on the bottom of each ring shell a, with each individual pole element c protruding through a corresponding opening in the ring d . Above the copper ring d is a ring e made of soft iron, the outer edge f of which is bent up at right angles and is located between the outer edge of the copper ring d and the outer jacket g of the associated ring shell a, into which it is inserted with a press fit.

Der aus weichem Eisen bestehende Ring e weist an seinem Innenrand die gleiche Anzahl von gleichmäßig verteilten rechtwinklig zu seiner Ebene abgebogenen Polelementen 1a auf, die auf dem gleichen Zylindermantel liegen wie die Polelemente c der Ringschale a, so daß jedes Polelement h mit einem Polelement c von gleicher Polarität jeweils einen aus zwei Teilpolen bestehenden Spaltpol bildet. Die Polelemente der Ringschalen a und der Weicheisenringe e haben alle dieselbe Breite. Alle Teile einer Statorhälfte sind miteinander vernietet, während die beiden Statorhälften zusammengepreßt sind.The ring e consisting of soft iron has on its inner edge the same number of evenly distributed pole elements 1a bent at right angles to its plane, which lie on the same cylinder jacket as the pole elements c of the ring shell a, so that each pole element h with a pole element c of of the same polarity each forms a split pole consisting of two partial poles. The pole elements of the shells a and the soft iron rings e all have the same width. All parts of a stator half are riveted together, while the two stator halves are pressed together.

Der Kupferring d bewirkt, daß die die Polelemente c eines jeden Polpaares durchsetzenden Flüsse, wie erwähnt, magnetisch verzögert werden.The copper ring d causes the pole elements c of each pole pair penetrating rivers, as mentioned, are magnetically delayed.

Der äußere Mantel g der einen Ringschale a ist so ausgebildet, daß er mit dem Außenmantel der zugehörigen anderen Ringschale a durch Preßsitz verbunden werden kann, so daß beide Teile a in magnetischer Verbindung stehen, wobei die Anordnung der Polelemente des Motors derart ist, daß jedes Polpaar bzw. jeder Spaltpol der einen Ringschale a zwischen zwei Polpaaren der anderen Ringschale a liegt, wie der vereinfachten schematischen Darstellung der Fig.2 zu entnehmen ist. Die Pole c sind dabei die magnetisch verzögerten und die Pole h die unverzögerten Pole der einen Ringschale a., wobei der der Phasenverschiebung dienende Kupferring gesondert für jeden Pol c bei d eingezeichnet ist, während die Pole c' und h' die zugehörigen Pole der anderen Ringschale a mit bei d' angedeutetem Kupferring sind.The outer shell g of the one ring shell a is designed so that it can be connected to the outer shell of the associated other ring shell a by a press fit, so that both parts a are in magnetic connection, the arrangement of the pole elements of the motor is such that each Pole pair or each shaded pole of one annular shell a lies between two pole pairs of the other annular shell a, as can be seen from the simplified schematic representation of FIG. The poles c are the magnetically delayed and the poles h the undelayed poles of one ring shell a., Whereby the copper ring serving the phase shift is shown separately for each pole c at d, while the poles c 'and h' are the associated poles of the other Ring shell a with a copper ring indicated at d '.

Die Weicheisenringe e und die beiden Ringschalen a sind so angeordnet, daß, «renn sie zusammengefügt sind, alle Polelemente c und lt in gleichmäßigen Winkelabständen um die gemeinsame Symmetrieachse verteilt sind.The soft iron rings e and the two ring shells a are arranged in such a way that, when they are joined together, all pole elements c and lt are distributed at equal angular intervals around the common axis of symmetry.

Die Erregerspule i (vgl. Fig. 1) und der Spurenkörper j, auf welchem die Windungen der Erregerspule angeordnet sind, füllen den ringförmigen Raum zwischen dem Außenmantel des Statorkernes und seinen Polelementen c und h aus. Die nicht dargestellte Anschlußleitung ist durch eine Aussparung im Außenmantel einer der beiden Ringschalen a hindurchgeführt.The excitation coil i (see. Fig. 1) and the trace body j, on which the turns of the excitation coil are arranged, fill the annular space between the outer jacket of the stator core and its pole elements c and h. They don't Connection line shown is one of the through a recess in the outer jacket two ring shells a passed through.

Der in den Fig.3 und 4 dargestellte Rotor besteht aus zwei schalenförmigen Teilen k und L, von denen ein jeder eine Anzahl gleichmäßig verteilter, rechtwinklig zum Schalenboden angeordneter Polelemente k' und L' aufweist. Die Teile k und L sind auf der Rotorwelle zaa so mit einander zugewandten Polelementen befestigt, daß jeder Pol k' oder l.' der einen Rotorhälfte sich zwischen zwei Polen l' bzw. k' der anderen Rotorhälftebefindet. Die Gesamtzahl der Rotorpolek',L' entspricht der Gesamtzahl der unverzögerten bzw. ungedämpften Statorpole c, so daß die Winkelteilung der Rotorpole gleich der Winkelteilung der unv erzögerten Statorpole ist.The rotor shown in FIGS. 3 and 4 consists of two shell-shaped parts k and L, each of which has a number of evenly distributed pole elements k 'and L' arranged at right angles to the shell bottom. The parts k and L are attached to the rotor shaft zaa with mutually facing pole elements that each pole k ' or l.' one rotor half is located between two poles l 'or k' of the other rotor half. The total number of rotor poles ', L' corresponds to the total number of undelayed or undamped stator poles c, so that the angular division of the rotor poles is equal to the angular division of the undelayed stator poles.

Zwischen den beiden Rotorschalen k und L ist auf der Rotorwelle der Permanentmagnet n angeordnet, der beide Rotorschalen magnetisiert, und zwar derart, daß die nebeneinanderliegenden Polelemente k' und 1' am Umfange des Rotors unterschiedliche Polarität aufweisen. Die Rotorwelle m ist in zwei nicht dargestellten Lagern gelagert, die von zwei steifen Platten getragen werden, zwischen denen der Stator eingeklemmt ist.Between the two rotor shells k and L , the permanent magnet n is arranged on the rotor shaft, which magnetizes both rotor shells in such a way that the adjacent pole elements k 'and 1' have different polarities on the circumference of the rotor. The rotor shaft m is mounted in two bearings, not shown, which are carried by two rigid plates between which the stator is clamped.

Wenn ein Gleichstromimpuls durch die Erregerspule i fließt, ist der Rotor durch die Anziehung zwischen jedem Rotorpol und den unverzögerten Statorpolenh entgegengesetzter Polarität gehemmt (vgl. Fig 5 a). Wechselt der Erregerstrom seine Polarität, so wechseln auch die Statorpole ihre Polarität. Hierbei wechseln die nicht verzögerten Pole 7a und 1i als erste ihre Polarität, so daß die Rotorpole durch die Statorpole, die sie eben noch angezogen hatten, abgestoßen werden. Der Rotor bewegt sich daher gegen die verzögerten und daher noch eine entgegengesetzte Polarität aufweisenden Statorpole c und c'. Die Bedingungen entsprechen dann den in Fig. 5 b dargestellten Verhältnissen.When a DC pulse flows through the excitation coil i, that is Rotor by the attraction between each rotor pole and the instantaneous stator polesh opposite polarity inhibited (see. Fig. 5 a). If the excitation current changes its Polarity, the stator poles also change their polarity. Here the not delayed poles 7a and 1i first their polarity, so that the rotor poles be repelled by the stator poles that they had just attracted. Of the The rotor therefore moves against the delayed one and therefore still an opposite one Polarity having stator poles c and c '. The conditions then correspond to in Fig. 5 b illustrated relationships.

Wenn kurz nachher die verzögerten Pole c und c' ihre Polarität wechseln, bewegt sich der Rotor in der Richtung des in Fig. 5 eingezeichneten Pfeiles, so daß seine Pole von den unverzögerten, nunmehr entgegengesetzt polarisierten Polen h und h' (Fig. 5c) vollends angezogen werden.If the delayed poles c and c 'change their polarity shortly afterwards, the rotor moves in the direction of the arrow drawn in Fig. 5, so that its poles are separated from the undelayed, now oppositely polarized poles h and h' (Fig. 5c) fully tightened.

Da an die Spule i eine Gleichstromspannung gelegt ist, die periodisch ihre Richtung wechselt, mit anderen Worten, da der Spule i elektrische Impulse wechselnder Polarität zugeleitet werden, wird dem Rotor eine schrittweise, immer in der gleichen Richtung liegende Drehbewegung aufgezwungen. Bei jeder Spannungsumkehr bewegt sich also der Rotor um eine Polteilung in Richtung der in Fig.5 eingezeichneten Pfeile, wobei die Größe der Winkeldrehung des Rotors durch die Anzahl der Pole an Stator und Rotor bestimmt wird.Since a direct current voltage is applied to the coil i, the periodic their direction changes, in other words, because the coil i electrical impulses change Polarity is fed to the rotor one step at a time, always in the same way Direction of lying rotational movement imposed. With every reversal of tension moves So the rotor by one pole pitch in the direction of the arrows drawn in Fig. 5, where the amount of angular rotation of the rotor by the number of poles on the stator and rotor is determined.

Die gleichmäßige Winkelteilung der Statorpolelemente ist nicht zwingend notwendig. Die Vorrichtung arbeitet auch dann in der beschriebenen Weise, wenn die Pole um einen gewissen Betrag ungleichmäßig verteilt sind, obwohl eine solche Ungleichmäßigkeit sich in ungleicher Schrittbewegung auswirkt.The uniform angular division of the stator pole elements is not mandatory necessary. The device also works in the manner described when the Poles are unevenly distributed by some amount, despite such unevenness has an uneven step movement.

Vorrichtungen der beschriebenen Art arbeiten leise und weisen im wesentlichen keine Abnutzung und im übrigen einen geringeren Kraftverbrauch als die bisher benutzten Vorrichtungen dieser Art auf. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiels beschränkt, da viele Veränderungen in der Konstruktion der Schrittschaltvorrichtung durchgeführt werden können, ohne daß der Erfindungsgedanke dabei verlassen wird. Beispielsweise kann an Stelle der zylindrischen zweifellos auch eine radiale Ausführungsform der Polelemente, d. h. statt des zylinderförmigen auch ein scheibenförmiger Luftspalt gewählt werden.Devices of the type described operate quietly and essentially no wear and tear and, moreover, less power consumption than those previously used Devices of this type. However, the invention is not limited to that described Embodiment limited because many changes in the construction of the Stepping device can be carried out without affecting the inventive concept is left thereby. For example, in place of the cylindrical can undoubtedly also a radial embodiment of the pole elements, d. H. instead of the cylindrical a disk-shaped air gap can also be selected.

Claims

PATENT CLAIM: 1. Electric stepper motor with stator poles polarized in opposite directions in the direction of movement by direct current pulses with periodically alternating polarity and with rotor poles excited by a permanent magnet, characterized in that each stator pole is designed as a two-part shaded pole and that a partial pole with a damper winding (d, d ') is surrounded, while the angular division of the rotor poles is equal to the angular division of the stator poles without damper winding and the rotor poles are alternately magnetically polarized in the direction of movement.

2. Stepping motor according to claim 1, characterized in that for the electromagnetic excitation of all stator pole shoes (h, h ', c, c) a common coil (i) is provided which is excited by electrical pulses of alternating polarity, the effect of the magnetic coil field on every second pole piece (c, c ') by a damper ring (d) or the like arranged between them.

3. Stepper motor according to claim 1 or 2, characterized in that the pole shoes of the stator (h, h '. C, c') and of the rotor (k ', L') are on cylinder jackets. 4. Stepping motor according to claim 3, characterized in that the stator is composed of two with their openings facing annular shells (ca) with an approximately rectangular cross-section having interior, the outer wall parts are magnetically connected to each other and in their pole faces to the Annular shells (a) punched, the pole shoes (c, c) forming and angled at right angles to their bottom flaps lie, with two damper rings (d) made of copper in the interior of the cavity at the bottom of the two half-shells (a), on each of which a soft iron plate (e) is located, the sheet metal tabs of which are punched on the inner edge are bent at right angles into the pole face to the pole pieces (h, h '), and that the excitation coil (i) is located inside the stator cavity, while the rotor consists of an approximately cylindrical permanent magnet ( n), on the two pole faces of which an iron plate (k, Z) is placed, the edge of which is punched, for example rec rectangular tabs (k ', L') are each bent at right angles into the outer cylindrical surface of the rotor. 5. Stepping motor according to one of the preceding claims, characterized in that all pole elements of both the stator and the rotor are evenly distributed over the jacket surfaces assigned to them and adjacent to the air gap. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1 001 191; "Electrical engineering and mechanical engineering", 62nd year (1944), issue 27/28, p. 321; "Elektrotechnische Zeitschrift", issue B, vol. 9 (1957), p. 34, right column, para.

4, lines 5 and 6.