DE1538039A1

DE1538039A1 - Synchronmotor,insbesondere Schrittmotor

Info

Publication number: DE1538039A1
Application number: DE19661538039
Authority: DE
Inventors: Bakhuizen Arie Johann Cornelis
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1965-01-13
Filing date: 1966-01-08
Publication date: 1969-07-03
Also published as: NL6515206A; NL143389B; NL6500348A; CH459350A; BE674964A; US3426225A; AT255553B; FR1469257A; GB1137101A

Description

"Synchronmotor, insbesondere Schrittmotor"

Die Erfindung betrifft einen Synchronmotor, insbesondere einen Sehrittmotor mit Statorpolgruppen und einem Rotor mit weichmagnetischen Zähnen, die mit zahnförniig aufgeteilten Statorpolen zusammenwirken, wobei jeder Statorpol mehr als einen Zahn besitzt, in der Weise, daß der Winkel zwischen zwei Statorzähnen gleich dem Winkel cc zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rotorzähnen ist und der Winkel zwischen den Statorzähnen von zwei aneinander angrenzenden Statorpoleii (a + b/n)cc beträgt, wobei a eine positive ganze Zahl, η die Anzahl von Gruppen Statorpolen und b_ die Differenz zwischen den Ordnungszahlen in der Reihenfolge der Erregung der Statorpole bezeichnen

Unter einer Gruppe von Statorpolen sollen diejenigen Statorpole verstanden werden, die zu den gleichen Zeitpunkten und während der gleichen Zeitintervalle erregt werden_o

Solche Motoren, die unter anderem zur numerischen Steuerung benutzt werden, können einerseits eine sehr große Anzahl von Schritten pro Umdrehung vollführen, d₀ h. η-mal die Anzahl von Rotorzähnen» Andererseits sollen oft die von diesem Motor angetriebenen Einzelteile schnell bewegt werden bis nahezu eine bestimmte Stellung erreicht ist, worauf diese gewünschte Stellung langsam eingenommen wird. Diese Schnellbewegung läßt

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sich, jedoch mit diesem Motor nicht durchführen, so daß zu diesem Zweck ein gesonderter, Schnellaufender Motor zum Antrieb der gleichen Einzelteile benutzt wird.

Der Rotor des Motors nach der Erfindung ist mit einer Wicklung für Asynchronlauf versehen. Bei diesem Motor ist die Drehzahl von der Anzahl und der Erregungsweise der Statorpole abhängig. Wenn die Statorpole derart erregt -werden, daß sich der magnetische Widerstand zwischen den miteinander zusammenwirkenden Nord- und Südpolen praktisch nicht ändert,

erhält man eine asynchrone Drehzahl, die nur von der Anzahl eingeschalteter Pölpaare und nicht von der Anzahl der Zähne jedes Statorpoles abhängig ist, so daß der Motor bedeutend schneller läuft als er als Schrittmotor laufen könnte₀ Dadurch kann der Schnellantriebsmotor weggelassen werden, so daß auch die von dem Schrittmotor zu beschleunigende Gesamtmasse, einschließlich der Rotormasse des gesonderten Motors, bedeutend geringer ist und somit die maximale Anzahl von Schritten pro Sekunde größer sein kann<>

Bei einer Ausführungsform eines Motors nach der Erfindung besteht die Wicklung für den asynchronen Lauf aus einem Käfigankerο ·

Bei einer weiteren Ausfuhrungsform des Motors wird der Käfig dadurch, erhalten, daß der Raum zwischen den Rotorzähnen mindestens teilweise mit nicht-magnetischem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgefüllt wird, wobei die Strombahnen in dem nicht magnetischen Material auf beiden Seiten des Magnetfeldes durch gegeneinander isolierte Ringe des gleichen Materials geschlossen werden, wobei jeder dieser Ringe mit je einer Anzahl möglichst regelmäßig längs des Umfanges verteilter Nocken versehen sind, durch welche sie zwischen zwei Zähnen an dem Rotor anliegen, während die Nocken der unterschiedlichen Ringe jeweils über mindestens

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einen Zahn versetzt sinde

Diese Ausführungsform ist besonders interessant, wenn der Schrittmotor mit Zähnen versehen ist, deren Lamellen in axialer Richtung verlaufen^ Wenn außerdem das Feld axial verläuft, so kann der Rotor ζ ο B· aus einer Kupferseheibe bestehen, in der die weichmagnetischen Zahnlamellen in axialen Schlitzen befestigt sind, die am Seheibenumfang in radialer Richtung vorgesehen sind. Flache Kupferringe mit einer Anzahl möglichst regelmäßig längs des Umfanges verteilter, radial nach innen gerichteter Nocken, deren Abmessung in TJmfangsrichtung kleiner als der Abstand zwischen zwei Rotorzähnen oder gleich diesem Abstand ist, werden durch Preßpassung auf der Kupferscheibe befestigt, wobei die Zähne der gegeneinander isolierten Scheiben jeweils um einen oder mehr Rotorzähne versetzt sind. Diese Versetzung der Ringnocken stellt sicher, daß in jeder lage des Rotors das asynchrone Antriebsmoment praktisch gleich bleibtb

Bei einer anderen Ausbildung dieses Motors wird der Abstand zwischen den Hocken eines Ringes derart gewählt, daß die Momente anderer Felder als des Feldes der Grundwelle fast vollständig unterdrückt werden,, Infolgedessen werden diejenigen Momente, welche dem Moment der G-rundwelle periodisch entgegenwirken, z_e B₆ die von der dritten Harmonischen, mögliehst vermieden, so daß ein regelmäßiger Lauf mit größerem Moment entsteht„ Dabei können die Ringe mit Nocken auch durch einfache drahtförmige Verbindungen ersetzt werden₀

Bei Motoren, deren Feld zwischen den Polen eines Polpaares axial gerichtet ist, ist es besonders vorteilhaft, den Rotor aus flachen, gegeneinander isolierten Scheiben aus nicht magnetischem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit aufzubauen, die durch eine kreisförmige Innenscheibe gebildet werden, die mit einem zu ihr konzentrischen Ring durch die

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ι« lpeitiien ausgebildeten Hetien dtt Ring·· Vtibundtn let, wobti lovthl die krtitför»±etn Teile dtr !antuttite de· Ringet wie auch die dtr AuSenteite dtr Innentcheibe mit radial verlaufenden Ioοken versehen ttin können, dertn gegeattltift? Aittand in i«r BmfattftTioktuiit wenigstens naht·« fleitfa dtr Dicke tint· Iotonahna itt·

Die Rotortcheiben latttn eich auf dittt Weise ausstancen, so daf tiefe tat teitrauben·e fräsen der Httortchlittt erübrigt· Mt Speichen jeder Rotortobtibt verschieben sich jeweilt um mindttttnt eimern Botor»aim und die Retortähne werden in den entetandenen Räumen befeetigi.

In einer weiteren Autbildtrag de· Notort nach der Erfindung besteht der Kttfig aut tintr lntahl ron Stäben hoher elektrischer Leitfähigkeit, die in radialer Richtung innerhalb der Rotorzähne in Löchern det Rotors liegen, bei dem Gruppen dieser Stäbe beiderseits des Rotors durch je einen Kurz» Bohlufiring kurzgeschlossen werden. Dabei sind die Stäbe jedes Ringet regelmäßig über den Umfang des Ringes verteilt. E« ist auf diese Weite möglich, bei einem Motor, bei dem die Statorpole um den Rotor angeordnet sind, diesen Rotor in üblicher Weise mit Kursschlußstäben zu versehen, während dit Rotor»leehe leieht aut tiats Mattrial g·βtauet wtrdtn ktinntn» ·

Vorsugtweitt bilden die getomdtrttn Kurstcblutringt auf tintr Seite det Rotors ein Ganees, wodurch die Konttruktion erheb· lieh vereinfacht wird·

Bei einer weiteren Ausführungeform dieses Rotors wird der Abstand zwischen den Stäben einer Gruppe ao gewählt, daß das Moment anderer leider als des Feldes der Grundwelle wenigstens größtenteils unterdrückt wird·

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AuBführungsbeisplele ds$ Sriindung sind In dta itichnuzigen dargestellt und werden in folgenden albir beschrieben. Ss zeigtni

Fig· 1 «inen Motor mit einem radial gerichteten felde, bei dem die Kursiohludringe auf den Stirnflächen de» Rotora angebracht sind,

Fig. 2 einen Motor mit einem axialen Felde, bei dta die Kurs* sohlußriagt um die Rotoriähne angebracht eind,

Fig. 3 einen Rotor n*e& flg. 2 WMi Xlftöhea Scheiben, Flg. 4 einen Rotor mit Kurzsohlufletibtn.

Naoh Fig. 1 sind die Statorpole 1, 2, 3 und 4 um den Rotor

angebracht, der mit weiaiuaagnetisohen Zähnen 6 Ytraehen iat_f die mit den Statorpolen 1, 2, 3 und 4 eueaewRvirken. Auf jedem Statorpol ist mehr als ein Zahn T derart angebracht, daß der Winkel twiaoiien zwei Zähnea gleioh dem Winkel et iwlaoiien zwei aufeinanderfolgenden lotereähaen let» Pit Zähne von iwel aufeinanderfolgenden »tat«rf«len «imd um einen Wi&lEel (a + \/n)a rtnohtben, volwl § tia* ganze Zahl, η die Amxahl von etato*>elgrupp*ai xaA % ti« $£££** rens zwischen den Ordaungesahlen in der leiheafolge der Sew regung der ewei 8tatorpel· btseiolawn.

In dem gezeigten Beispiel hat der Stator acht ?tle, Tom demen jeweils zwei einander diametral g*gentiberliei;ende foX« «j. einem Polpaar gehören· Venn swtl aneinander aagreafta&de 1t·-. torpole 1 und 2 nacheinander erregt werden, ist b * 1_t wätre.od η * 4 ist, so daß die GresamtYerschiebuag ■ (a + 4c£ Beträgt*

Gegenüber den Zähnen 6 sind auf der Innenseite des Rotors 5 Pole 8 auf gleiche Weise angeordnet. Der Rotor 5 besteht aus einer Kupferscheibe 9» in der eine Bohrung zur Aufnahme

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dtr Inntn-Statorpol· t tQ*$*§*h$n i#t. Ib tinte Kragen 10 eind 1» axialer Richtung r#4tal v#rlauftnd· Sehlit·· angebracht, ill dtntn di« ai^.al ytrlauffnltn gabalaatlltn tint· Botoriahn· 6 befestigt »lad. An dir mit Zähntn Tersthtnen Stirnfläche dta Rotor· «in4 but Achse koasentrisolit Kupferringe 12, 13 angebracht, die sit axial rerlaufenden locken 14» 13 rersehen sind, dii in regelmäßigen Abetanden läng· dea Umfange» der Hinge 12, Ij angebracht und elektrisch alt der Kupferscheibe 9 durch dit Berührung sswltoatn ewti Zähnen 6 Terbun* dtn sind. Dit Ho eic en tor «wel tiaaadtr ua^abetiden Ringen 12 und 13» die durch einen dünnen Ring 16 aus laolitrmaterial gegenüber Iselitrt flad, sind gtgtntinfindtr ue einen lotor- »ahn derart Tersehobtn, daß die Sahne des Innenringβa 17 in Buhe der Zähne des Außenringe» 12 liegen· Pies· Verschiebung der Nocken bewirkt» daß daa auf den Botor wirkende asynchrone Moment in jeder Rotorlage praktisch gleloh ist· Außerdem ist der Abstand zwischen den Nocken des gleichen Binges derart gewählt» dai die Momente anderer feider als des Grundwellenf eldes fast rolle tändig ruaterdrüökt werden.

Nach Pig. 2 sind die Polt 1, 2, 3 » 4 und 1», 2», 3», 4¹ auf beiden Seiten de· Rotors 5 angeordnet« Der Rotor 5 besteht aus einer Kupfer scheibe 9, in der dit weiolaeagnetisohen Zahnlamellen 11 in axialen Sohlitsen untergebracht «ind, die am Umfang der Scheibe 9 in radialer Richtung Torgeeehen sind· Die Zahnluttlltn 11 bilden dit wtieheagnetiaohtn Zähne &, die mit dta ftatorpolen 1» 1¹» 2, 2¹, 3» V und 4» 4' bub«amenwirken, Auf jeden Statorpol iet mehr als ein Sahn 1 angttracht» so daß itr Winkel »wischen zwei Zähnen gleich dta Winkel ec «wischen iwei aufeinanderfolgenden IotorBahnen ist. Die Zähne von zwei auftinanderfolgenden Statorpolen sind gegeneinander u» einen Winkel ton (a + »/n)fc T*rechebta, wobei a eine positire ganse Zahl» £ die Anzahl von Statorpolgruppen und b die Differenz swlsohen den Ordnungszahlen in der Reihenfolge der Erregung der zwei Statorpole bezeichnen« Der Stator nach

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Fig· 2 hat 16 Pole, von denen leweile cw*i einander gegenüberliefende fole 1, 1«, 2, 2«, 3» 3», 4, 4« ein Polp·« bildtn, während ditottr»! einander gegenüberliegende Pel« au einer Gruppe von ßtatcrpelen gehören. Wenn swti aneinander angrtnsen*e ftattrpolpanre 1,1« und 2, 2» aaoheinejider trrtgt werden_c ist b « 1 und η « |, te daß die GtsamtTtriehitbuag der zwei 8tatcrpol«(a + 1/4 fr) totträgt· Flachs Kupferringe 12, 13 mit einer AnieJLl rtgtlaiBif»uf i«a Umfang verteilter, radial naofa insta gerichteter I«ok«n t4, 15» deren Abmessung·* am tfmiang gUioh 4em Abet and eviechen iwei Io tor fahnen 6 oder kleiner ale dieser ist, werden durch Preßpaseung an der Kupfereeheibe befestigt, wobei die Zähne 14» 15 der gegeneinander durch Scheiben aus Isoliematerial 16 isolierten Scheiben 14» 15 jeweils um einen oder mehr Eotorzähne ver-•choisn sind, so daß die Nocken des letzten Ringes 17 wieder in Höhe der des ersten Hinges 12 liegen· Auch in diesem Falle wird durch das Verschieben der Hocken 14, 15 der Hinge 12, 13, 17 erreicht, daß das ftsynohrone Antriebsmoment in jeder Lage des Rotors praktisch gleich bleibt» während der Abstand zwischen den locken 14» 15 des gleiches Ringes so gewählt ist, daß die Momente anderer Felder als des Crrundwellenfeldes fast vollständig unterdrückt werden.

Werden z. B. die Pole 1_f t» und 3* 3¹ und die Pole 2, 2» und 4f 4⁽cl*ionseitie errtgt, se 1st nUfersttfl As« asynchron·* Xtftttf· der «ftgnttiteh· Kreis ätrftrt» ftf 4er Magnet ie ehe Wider» stand als funktion des Drehwinkels des Rotors praktieoh konstant bleibt. Dabei ist das Feld der feit 2, 2», 4, 4⁽ gegenüber ftem feld dtr Pol« 1, 1', 3t 3* ua 90° Ttrsehoben und der Motor ist als Titrpoligtr Asynehromittor wirksam.

fig. 3 zeigt eine andere Konstruktion des Rotors nach fig. 2· Der Rotor besteht hier aus flachen, nichtmagnetiechen Scheiben 20 aus einem Material hoher elektrischer leitfähigkeit, die durch Ringe 21 aus Isoliermaterial gegeneinander isoliert

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sinde Die Scheiben 20 bestehen aus einer kreisförmigen Innenscheibe 22, die mit einem zu ihr konzentrischen Ring 23 durch die zu Speichen ausgebildeten Hocken 24 verbunden ist» Sowohl die kreisförmigen Teile der Innenseite des Ringes 23 als auch die der Außenseite der Innenscheibe 22 sind mit Nocken 25, 26 versehen. Die Speichen der einzelnen Scheiben 20 werden beim Zusammenbau gegeneinander um einen Rotorzahn verschoben und die Rotorzähne 27 werden in dem verbleibenden Raum befestigt* Diese Rotorzähne können aus einem Eisenlamellenpaket bestehen_e

Nach Fig* 4 ist der Rotor aus runden, gezahnten Blechen 30 zusammengebaut. Der Käfig besteht aus einer Anzahl runder Stäbe 32 hoher elektrischer leitfähigkeit, die in axialer Richtung innerhalb der Rotorzähne in den Bohrungen 31 der Rotorbleche 30 liegen, wobei die erste Gruppe dieser Stäbe auf einer Seite durch einen Kurzschlußring 33 kurzgeschlossen wirdβ Die Stäbe der anderen Gruppen ragen durch Bohrungen<#*C dieser Kurzschlußringe hindurch, wobei der Durchmesser der Bohrungen Jj/C größer ist als der Durchmesser der Stäbe 32· Die zweite Gruppe von Stäben 32 wird durch den Kurzschlußring 34 kurzgeschlossen, durch den die Stäbe der verbleibenden Gruppen hinragen. Die Bohrungen dieses Kurzschlußringee 34 haben auch einen größeren Durchmesser als die Stäbe 32» Die verbleibenden Gruppen werden in gleicher Weise durch die Kurzschlußringe 35 und 36 kurzgeschlossen·

Auf der anderen Seite des Rotors bilden die Kurzschlußringe ein Ganzes, so daß die Stäbe 32 hier elektrisch leitend mit dem gemeinsamen Kurzschlußring 37 verbunden sind·

Der Abstand zwischen den Stäben jeder Gruppe ist so gewählt, daß die Momente anderer Felder als das des Feldes der Grundwelle praktisch vollkommen unterdrückt werden«

Patentansprüche:

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Claims

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Pat ent ansprüche:

Μ»] Synchronmotor, insbesondere Schrittmotor, "bei dem der Rotor mit weiehmagnetischen Zähnen versehen ist, die mit zahnförniig aufgeteilten Statorpolen zusammenwirken und bei dem auf jedem Statorpol mehr als ein Zahn derart angebracht ist, daß der Winkel zwischen zwei Statorzähnen gleich dem Winkel cc zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rotorzähnen ist und der Winkel zwischen den zwei aneinander angrenzenden Statorpolen (a + b/n)a: beträgt, wobei a eine positive ganze Zahl, η die Anzahl von Statorpolgruppen und b die Differenz zwischen den Ordnungszahlen in der Reihenfolge der Erregung der zwei Statorpole bezeichnen, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5) mit einer Wicklung (12 bis 17, 20 bis 23, 31 bis 37) für Asynchronlauf versehen ist, dessen Drehzahl von der Anzahl und der Erregungsweise der Statorpole (1 bis A₉ 1' bis 4«) abhängte

2ο Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (12 bis₍17, 20 bis 23, 31 bis 37) für den Asyn-•chronlauf aus einem JEäfiganker besteht_o

3ο Synchronmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig dadurch erhalten wird, daß der Raum zwischen den Rotorzähnen (6) ganz oder teilweise mit nicht magnetischem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgefüllt wird, wobei- die Strombahnen in dem nicht magnetischen Material auf beiden Seiten des Magnetfeldes durch gegeneinander iso»- lierte Ringe (12, 13, 17) des gleichen Materials geschlossen werden und jeder dieser Ringe (12, 13» 17) mit einer Anzahl regelmäßig auf dem Umfang verteilter Nocken (14, 15)' versehen ist, durch welche sie zwischen zwei Zähnen (6) an dem Rotor

(5) anliegen und die Hocken (14, 15) der unterschiedlichen Ringe (12, 13, 17) jeweils über einen oder mehr Rotorzähne

(6) versetzt sind_e

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4ο Synchronmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Nocken (14 oder 15) eines Ringes (12 oder 13) derart gewählt ist, daß die Momente anderer Felder als das des Grundwellenfeldes fast vollständig unterdrückt werden»

5 ο Synchronmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld zwischen den Polen eines Polpaares axial gerichtet ist und daß der Rotor (5) aus flachen, gegeneinander isolierten Scheiben (20) ι aus nicht magnetischem Material hoher elektrischer Leitfähigkeit aufgebaut ist, die aus einer kreisförmigen Innenscheibe

(22) bestehen, die mit einem zu ihr konzentrischen Ring (25) durch die zu Speichen (24) ausgebildeten Mocken des Ringes

(23) verbunden ist, und sowohl die kreisförmigen Teile am inneren Umfang des Ringes (23) als auch die am äußeren Umfang der Innenscheibe (22) mit radial verlaufenden Nocken (25 j 26) versehen sein können, deren gegenseitiger Abstand in radialer Richtung der Dicke eines Rotorzahns (6) entspricht»

6. Synchronmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus einer Anzahl von Stäben (32) hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht, die in axialer Richtung innerhalb der Rotorzähne (6 bzw» 30) in Bohrungen (31) des Rotors (5) liegen, wobei Gruppen dieser Stäbe (32) auf beiden Seiten des Rotors (5) durch je einen gesonderten Kurzschlußring (33 bis 36) kurzgeschlossen werden, wobei die Stäbe (32) jedes Ringes (33 bis 36) gleichmäßig über den Umfang verteilt sinde

J₀ 7» Synchronmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ° die gesonderten Kurzschlußringe (33 bis 36) auf einer Seite

to des Rotors (5) ein Ganzes (37) bilden,,

"^ 8» Synchronmotor nach einem oder mehreren, der vorhergehenden oo Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen

cn den Stäben (32) einer Gruppe derart gewählt wird, daß die Momente anderer Felder als das des Feldes der Grundwelle fast vollständig unterdrückt werden«

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