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Reluktanz-Schrittmotor nach Art eines Digitork-Motors Durch die Zeitschrift
»Control Engineering«, Januar 1957, S. 74 bis 81, ist ein Reluktanz-Schrittmotor
bekanntgeworden, der als Digitork-Motor bezeichnet ist.
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Der Digitork-Motor ist eine Einheit von drei Teilmotoren, die einander
identisch und mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind. Die Ständernutenzahl ist
gleich der Läufernutenzahl, N, = N2 = (18;
36; 72; 120)
- 3. Die Nutbreite b" ist gleich der Zahnbreite b.. Oder b. =
b, = 1/2 t" wobei t., die Nutteilung ist.
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Aus der Fig. 1 sind die Verhältnisse beim bekannten Motor ersichtlich.
Der Ständer ist mit S und der Läufer mit L bezeichnet. Werden die
Ständernuten so durchflutet, daß jeder zweite Ständerzahn ein Nordpol und jeder
dazwischenliegende Ständerzahn ein Südpol ist, so wird der Läufer mit seinen Zähnen
magnetisch »einrasten«, wie in der oberen Darstellung der Fig. 1 angedeutet
ist. Die untere Darstellung der Fig. 1 ist die Schaltstellung. Das größte
dabei auftretende Drehmoment entsteht bei einer Verdrehung um etwas mehr als ein
Drittel der Nutteilung (1f.3 t,) oder zwei Drittel der Zahnbreite (2/3
b,)
aus der eingerasteten Ruhestellung.
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Sind nun die beiden anderen Teilmotoren in ihren Ruhestellungen so
angebracht, daß der eine die Verdrehung von + 1/3 t" und der andere die von
- 1/3 t', oder +,-'/3 t" gegenüber dem erregten Teilmotor hat, dann wird
ein schrittweiser Lauf des Digitork-Motors möglich, wenn sich die drei Teilinotoren
in ihren Erregungszuständen der Reihe nach abwechseln. In der Fig. 2 ist der zeitliche
Verlauf der Ströme in den drei Phasen dargestellt, wobei im linken Diagramm Rechteckströme
und rechts sinusförmige Ströme verwendet sind. Im ersten Fall ergibt sich ein Schrittbetrieb,
im zweiten ein harmonischer Betrieb mit verhältnismäßig ruhigem Lauf.
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Durch die Erfindung werden die drei Teilmotoren bei der bekannten
Ausbildung vermieden. Die Erfindung bezieht sich auf einen Reluktanz-Schrittmotor
nach Art eines Digitork-Motors für Mehrphasenbetrieb. Die Erfindung besteht darin,
daß der Motor einen einzigen bewickelten Ständer und unbewickelten Läufer besitzt,
die in an sich bekannter Weise beide verschieden, jedoch über den Umfang gleichmäßig
genutet sind, und daß die Nutung von Ständer und Läufer derart verteilt ist, daß
bei Erregung nur eines Wicklungsstranges jeder m-te Ständerzahn und jeder (m+ 1)-te
Läuferzahn in der Polarität abwechselnd magnetisiert wird, wobei die übrigen Wicklungstränge
wegen der fehlenden magnetischen Verkettung innerhalb der einzelnen Phasen elektromagnetisch
nicht beeinflußt werden, und daß diese Zähne einander genau gegenüberstehen, wenn
kein äußeres Drehmoment wirksam ist, und daß die Ständer- und Läuferzähne gleiche
Breite am Luftspalt besitzen.
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Es ist bereits ein Antriebsmotor für Sprechmaschinen, Diktiermaschinen
od. dgl. bekanntgeworden, der mit Gleichstrom betrieben wird. Bei diesem Motor besteht
der Ständer aus einer geraden Anzahl von mindestens acht Stück im Kreis angeordneten
kleinen Hufeisen-Elektromagneten. Die Polflächen jeder dieser Hufeisen-Elektromagneten
sind nach innen gerichtet und liegen in einer Axialebene des Ständers. Die Elektromagneten
sind so geschaltet, daß immer ein Nord- und ein Südpol im Kreise aufeinanderfolgen.
Der Läufer besteht aus einer kleineren geraden Zahl genau gleicher Hufeisen-Elektromagneten
mit nach außen gerichteten und in je einer Axialebene liegenden Polen. Die
Spulen dieser Elektromagneten bilden eine in sich geschlossene Wicklung und sind
derart aneinandergeschaltet, daß die entgegengesetzten Magaetpole nebeneinanderliegen,
außer an der Eintritts- und Austrittsstelle des Stromes, wo die Pole der benachbarten
Elektromagneten gleichnamig sind. Es ist ferner ein Antriebsmotor für Sprechmaschinen
bekanntgeworden, der auch mit Gleichstrom betrieben wird und bei welchem die Anzahl
der Bürsten gleich oder ein ganzzahliges Mehrfaches des Unterschiedes (z. B. pa
- p) zwischen der Ankerpolzahl (pa) und der Feldpolzahl
(p) ist. Ferner ist die Anzahl der für jede Anker- oder jede Ankerpolrichtung
oder jede Teilwicklung der Ankerpole
vorgesehenen Lamellen des
Stromwenders gleich dem Verhältnis der Anzahl (p) der Feldpole zu den vorgenannten
Unterschieden (pa - p) zwischen Anker- und Feldpolanzahl (pa,p). Zur
Erzielung eines einwandfreien Drehmotors ist also die Anzahl der Feldpole abweichend
von der Anzahl der Ankerpole gewählt.
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Ständer und Läufer sind bei beiden Motoren gegenüber dem erfindungsgemäßen
Motor vollkommen anders ausgebildet.
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Es ist ein weiterer Motor bekannt, dessen Anker in gleichen Winkelabständen
in größerer Zahl Ansatzstücke aus Weicheisen trägt. Die Ankerachse trägt an einem
Ende einen Kontaktstern, durch welchen abwechselnd immer je zweigegenüberliegenden,
der um den Anker angeordneten Feldmagneten Erregerstrom zugeführt wird. Die der
Zahl nach mit den Weicheisenstücken übereinstimmenden Feldmagneten sind nicht gleichmäßig
im Kreis, sondern derart in Gruppen angeordnet, daß die Feldmagneten jeder Gruppe
untereinander in gleichen Winkelabständen voneinander entfernt sind, die kleiner
als die Winkelabstände der Weicheisenstücke des Ankers sind.
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Es ist auch eine Reaktions-Synchronmaschine mit Ständer und Läufer
aus lamelliertem Blech bekannt. Ständer und Läufer sind mit verschiedener, aber
über den ganzen Umfang gleichmäßiger Teilung derart gezahnt, daß der Quotient aus
den beiden Zähnezahlen von einer ganzen Zahl abweicht, so daß sich im Luftspalt
Zonen großer magnetischer Leitfähigkeit und Zonen kleiner magnetischer Leitfähigkeit
ausbilden. Sowohl ün Ständer als auch im Läufer ist die Zahnbreite gleich der Nutenbreite.
Bei dieser Maschine sind die magnetischen Kreise der m-Wicklungsstränge miteinander
verkettet, während beim erfindungsgemäßen Motor die magnetischen Kreise der einzelnen
m-Wicklungsstränge nicht miteinander verkettet sind. Dieser Umstand ist besonders
wichtig für den Schrittbetrieb.
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Die Erfindung wird mit weiteren vorteffhaftenAusbildungen an Hand
eines in der Fig.
3 dargestellten Ausfährungsbeispieles näher erläutert.
Wie ersichtlich, ist die Läufernutbreite gleich der Läuferzahnbreite als auch der
Ständerzahnbreite. Dadurch wird die Ständernutbreite um fünf Drittel größer als
die Zahnbreite.
b42 #
b,»2 = b",
= 3/5 b""
= 1/2 t",2
= 3/4
- 1/2 tn,1. Der erfindungsgemäße
Motor ist ebenfalls dreiphasig, und jeder Ständerzahn trägt eine eigene Spule. Die
Spulen sind so geschaltet, daß jede Phase in Umfangsrichtung nur jeden dritten Ständerzahn
abwechselnd polarisiert, wie dies in der Fig.
3 durch die gestrichelt dargestellte
Wicklung angedeutet ist. Entsprechend wird jeder vierte Läuferzahn magnetisiert.
Dies ist die magnetische »Einrastung« (Ruhestellung, wie üi Fig.
3 dargestellt).
Ein schrittweises Drehen des Motors kommt zustande, wenn die drei Wicklungsstränge
abwechselnd erregt werden. Der erfindungsgemäße Motor läßt sich mit folgenden Nutenzahlen
bauen:
| Ständernutenzahl .................... N, 6 12
18 24 30 ... |
| Läufernutenzahl Ä ................... N2 8 16
24 32 40 ... |
| Schrittzahl je Umdrehung .............
Z 24 48 72 96 120 ... |
| Schrittwinkel ........................ s 150 7,50
50 3,75- 30 ... |
| Polpaarzahl ......................... p 1 2
3 4 5 ... |
| Drehzahl bei Hz (U/min) ............. n
50 375 187,5 125 93,75 75 ... |
Folgende Vorteile des erfindungsgemäßen Schrittmotors gegenüber dem Digitork-Motor
ergeben sich: (Gemeinsamer Parameter: Durchmesser, Schrittzahl), größere Ausnutzung
infolge geringerer Baulänge, wodurch eine Kostenersparnis, höhere mechanische Dynamik:
1,25: 1,0 (Mlf des erfindungsgemäßen Motors zu MIJ des bekannten Digitork-Motors;
M = Drehmoment,
f = Trägheitsmoment) und geringere Lagerschwierigkeiten
erreicht werden.
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Ferner ergibt sich ein leichteres Wickeln des Motors, da nur ein Viertel
der -S-pulenzahl erforderlich ist. Durch den um fünf Drittel größeren Luftspalt
liegen die Genauigkeitstoleranzen günstiger. Da der Motor nur noch ein einziges
Teil ist, tritt keine innere Beanspruchung der Welle auf. Ein Ausrichten der Läufer-
oder Ständerteile wie beim bekannten Motor untereinander entfällt. Schließlich ergeben
sich wesentlich geringere Streuinduktivitäten: Ils: 1.
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Die Fig. 4 zeigt die Ausbildung von Läufer und Ständer bei einem Vierphasenmotor.
Auf je vier Ständerzähne entfallen dabei fünf Läuferzähne. Die Läufernutbreite
ist gleich fünf Drittel der Zahnbreite, und die Ständernutbreite ist gleich sieben
Drittel der Zahnbreite. Die Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Vierphasenströme
im Rechteck- bzw. im harmonischen Betrieb (Sinusform). In der Fig. 6 ist
eine Schaltungsanordnung für sinusfönnigen Betrieb dargestellt. Mit 1 ist
eine Zweiphasenquelle bezeichnet, die über Gleichrichter 2 die Wicklungen I
. . . IV speist. Dabei sind die Wicklungen 1 und III und die Wicklungen
II und IV zusammengefaßt.