DE1922234A1

DE1922234A1 - Schrittmotor fuer eine Vielzahl von Schritten pro Umdrehung

Info

Publication number: DE1922234A1
Application number: DE19691922234
Authority: DE
Inventors: Croymans Jacques Johan Hendrik; Van Hout Henricus Marinus
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-05-20
Filing date: 1969-04-30
Publication date: 1969-11-27
Also published as: ES367353A1; BE733281A; CH498510A; GB1218703A; US3549918A; NL6807144A; AT292114B; FR2008928A1

Description

N.-V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/Holland

"Schrittmotor für eine Vielzahl von Schritten pro Umdrehung"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrittmotor, der aus einer Anzahl koaxialer mit .ie mindestens einer zwischen .zwei aus weich ferromagnetisohan Material bestehenden Platten angeordneten Ringspule versehener Statoren mit auf einem Kreis angeordneten Polzähnen besteht, die bei Erregung sich abwechselnde Nord— und Südpole bilden, die mit gleichfalls auf einem Kreis angeordneten, sich abwechselnden Uord- und Südpolen mindestens eines dauermagnetischen Rotors zusammenwirken!, wofcei die Anzahl Pole jedes Rotors gleich der jedies Stators is:t.

Bei einem derartigen bekannten Motor wirken zwei Statoren mit einem Motor zusammen, wobei die Lage der Pole eines Stators in bezug auf die zugehörigen Rotorpole einerseits und die tage der P^Ie des anderen Stators in bezug auf die zugehörigen Ro^rpoie andere-rselts einen gegenseitigen Winkel vom 9Ö^Q el. e&nsc&ließeEt*

Dieser Rotor hat den 'Kachteil;, daß das abgegebene Moment bei Umschalten um ca, 30% absinkt, so daß das übliche Haltemoment des Motors ca. 30% niedriger als das Höchstmoment ist. Außerdem ist die Anzahl von Schritten pro Um-

3225

drehung beschränkt.

Nach der Erfindung kann dieser llachteil dadurch verriieden v/erden, daß η Statoren vorgesehen sind, v/ob ei η > 2 . ist und die Lage der Pole jedes Stators in bezug auf die zugehörigen Rotorpole einerseits und die Lage der Pole jeweils eines anderen Stators in bezug auf die zugehörigen Rotorpole andererseits verschiedene V.'inkel miteinander einschließen, v/elcher Unterschied gleich —— χ der

Teilv/inkel der Pole desselben Stators ist, vobei m eine ganze Zahl ist und zwischen 1 und (n—1) variiert. Dabei ist unter dem Teilv/inkel der Winkel zwischen den Mittel— linien der benachbarten Pole desselben Stators zu verstehen, we]ehe Mittellinien in einer zu der Achse des Motors senkrechten Ebene liegen und diese Achse schneiden.

Bei einem derartigen Motor mit z. 3. vier Statoren variiert das lloment nur noch um ca. 8^Γ·ί, so daß das durchschnittlich abgegebene Moment bei einer verdoppelten Energiezufuhr mehr als verdoppelt ist. Außerdem ist die Anzahl von Schritten pro Umdrehung verdoppelt.

Bei einer gleichen Schaltfrequenz, des Steuersignals von z. B, 100 Hz ist beim bekannten Motor die Schaltfrequenz pro Stator 50 Hz und bei dem Motor gemäß efcer Erfindung 25 Hz, wodurch bei einer gleichen Anzahl van Schrlrbten pro Minute die Eisenverluste geringer \reraen oder bei einer gleichen Schal-tfrequenz der Statoren die Frequenz des Steuersignals und somit die Anzahl von. Schritten pro Mi-*' nute bei gleichbleibenden Verlusten verdoppelt werden kann.

Die Massenträgheit des Rotors ist der Anzahl van Statoren " proportional und das Moment ist dieser Anzahl mehr als proportional, so daß die Beschleunigung des Rotors relativ größer wird, wodurch ein schnelleres Anlassen und

_ 3«- 90 984 8/#S £3

■ W-*

■^v«e- BA3 ORiQiMM. -

somit eine höhere Startfrequenz erzielt werden.

Bei einer Ausführungsforn eines Motors nach der Erfindung besteht jede der Spulen aus zwei Hälften. Dadurch können die Statoren mit gleich gerichteten Impulsen gesteuert werden, wobei die Möglichkeit zur Umpolung des Feldes beibehalten wird; Dies ist besonders wichtig, wenn der Motor auf elektronischem V.ege gesteuert" wird. Die beiden Spuleiihälften können dabei völlig voneinander getrennt sein oder aus zwei kontinuierlich gewickelten Spulen bestehen, wobei das Ende einer Spule mit dem Beginn der zweiten Spule verbunden und nach außen geführt ist.

Bei einer Weiterbildung des Motors nach der Erfindung werden im stillstehenden Zustand sämtliche Statoren erregt und wird für jeden Schritt derjenige Stator umgepolt, bei der. - in einer der gewünschten Drehrichtung entgegengesetzten Richtung gesehen - der Vinkel zwischen den Statorpolen und den zugehörigen Rotorpolen am größten ist. Dabei vollführt der Schrittmotor eine Anzahl von Schritten pro Umdrehung, die gleich dem η-fachen der Anzahl Pole pro Stator ist.

Bei einer anderen Ausführungsform eines iiotors nach der Erfindung sind im stillstehenden Zustand abwechselnd η bzw (n-1) Statoren erregt und wird für einen nächsten Schritt derjenige Stator ausgeschaltet, bei dem - in einer der gewünschten 'Drehrichtung entgegengesetzten Richtung gesehen - der Winkel zwischen den Statorpolen und den zugehörigen Rotorpolen am größten ist, während der nicht erregte Stator in einer der des vorangehenden Stators entgegengesetzten Richtung erregt wird. Dadurch wird die Anzahl Schritte pro Umdrehung verdoppelt und gleich dem 2n-fachen der Anzahl Pole pro Stator, wobei das Haltemoment z. B. bei einem Motor mit vier Statoren nur um ca. 8% variiert.

- 4 9098 48/06 2 3 ^_{0 0R},_e,_NAL

- 4 - 192223A

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig.. 1 einen Längsschnitt und ■' -^: "-:"

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht -des Motors', Fig. 3 eine Steuerschaltung für den Motor, ·

Fig. 4 die Reihenfolge der Erregung der Statoren und ^: die entsprechende Lage des Rotors,

Fig. 5 den Verlauf der zugeführten Energie und des abgegebenen Moments als Funktion der Zeit, *

Fig. 6 eine Steuerschaltung für einen Motor mit einer verdoppelten Anzahl Schritte pro Umdrehung,

Fig. 7 die Reihenfolge der Erregung von Statoren und die entsprechende Lage des Rotors,

Fig. 8 den Verlauf der zugeführten Energie und des abgegebenen Moments als Funktion der Zeit,

Fig. 9 eine mechanische Ausbildung einer Steuereinheit und

Fig. 10 eine derartige Steuereinheit für die doppelte Anzahl Schritte pro Umdrehung.

Fig. 1 und 2 zeigen einen Motor, der aus vier koaxialen Statoren 1, 2, 3 und 4 besteht, die mit je einer Ringspule 5, 6, 7 bzw. 8 versehen sind, die zwischen zwei aus weich ferromagnetischem Material bestehenden Platten 9, 9', 10, 10', 11, 11· bzw. 12, 12' angeordnet ist, die auf einem Kreis angeordnete Polzähne aufweisen, die bei Erregung sich abwechselnde Nord- und "Südpole 13, 13% 14, 14',"

— 5 -909 848/0623 ^

15, 15' und 16, 16' bilden, wobei jede Platte 9, 9', 10, 10', 11, 11' und 12, 12' zwölf Zähne besitzt, die mit vierundzwanzig gleichfalls auf einem Kreis angeordneten, sich abwechselnden Nord- und Südpolen 17, 17', 18, 18^?,

19, 19' und 20, 20' von vier dauermagnetischen Rotoren 21, 22, 23 bzw. 24 zusammenwirken.

Die Winkel zwischen den Polen 13, 13', 14, 14', 15, 15' bzw. 16, 16' jedes Stators 1, 2, 3 bzw. 4 in bezug auf die entsprechenden Rotorpole 17, 17', 18, 18·, 19, 19' bzw.

20, 20' sind verschieden, welcher Unterschied gleich

— mal der Teilwinkel der Pole desselben Stators ist,

wobei m eine ganze Zahl ist und zwischen 1 und 3 variert und η gleich 4 ist. Der Steigungswinkel cc ist bei diesem Motor 15°, so daß diese Unterschiede 3°45^!, 7°30' und 11°15' betragen.

Die gleichnamigen Pole 17, 18, 19 und 20 bzw. 17', 18', 19' und 20' der Rotoren 21, 22, 23 und 24 fluchten bei dem dargestellten Motor, so daß die Statoren 2, 3 und 4 in bezug auf den Stator 1 über einen Winkel von 1/4 cc = 3°45·, 1/2 cc = 7°30· bzw. 3/4 oc = 11°15« verschoben sind. Es versteht sich, daß statt der in der Figur dargestellten vier Rotoren ein einziger sich über die vier Statoren erstreckender Rotor angewandt werden kann. Naturgemäß können die Statoren auch fluchtrecht zueinander angeordnet werden und können die Rotoren die gleichen gegenseitigen Winkel wie die Statoren der Fig. und 2 einschließen; sogar brauchen weder die Pole der Statoren, noch die Pole der Rotoren in Flucht angeordnet zu werden, wenn nur dafür gesorgt wird, daß die oben erwähnte Beziehung erfüllt wird.

Die Ringspulen 5, 6, 7 und 8 können aus einer einzigen Wicklung oder aus zwei Hälften bestehen, wobei jede Hälfte

- 6 909848/082 3

den zugehörigen Stator in einer bestimmten Richtung magnetisiert.

Die Spulen 5, 6, 7 und 8 bestehen aus vier Hälften 5', 5", 6·, 6", 7', 7" und 8¹, 8", wobei bei einem Stron durch die Spulen5', 6', 7¹ und 8' die Statorpole 13, 14, 1f? und 16 z. B. llordpole und die Statorpole 13', 14', 15' und 16'. Südpole sind, -während umgekehrt bei einem Strom durch die Spulen 5", 6", 7" und 8" die Statorpole 13, 14, 15 und dann Südpole und die Statorpole 13', 14', 15'. und 16' llordpole sind. Auf diese v.'eise kann der Stator mit derselben Gleichspannung, also mit gleichgerichteten Impulsen, in zwei entgegengesetzten Richtungen magnetisiert v/erden.

Fig. 3 zeigt eine Steuereinheit B zur Steuerung des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Motors rnit Hilfe von Impulsen, wobei im stillstehenden Zustand alle Statoren 1, 2, 3 und 4 erregt werden und für jeden Schritt derjenige Stator umgepolt v/ird, bei dem - in einer der gewünschten Drehrichtung entgegengesetzten Richtung gesehen - der Uinkel zwischen den Statorpolen und den zugehörigen Flotorpolen am größten ist. Dabei vollführt der Schrittmotor eine Anzahl Schritte pro Umdrehung, die gleich dem Vierfachen der Anzahl Pole pro Stator ist,

Die Steuerimpulse werden dem Eingang der Steuereinheit B zugeführt und an den acht Ausgängen, die je mit einer dargestellten Spulenhälfte der Statoren verbunden sind, in Steuerspannungen umgewandelt. Die Ausgangsspannungen verlaufen als Funktion der Zeit, wie auf der rechten Hälfte der Figur dargestellt.

Fig. 4 ist eine Abwicklung eines Teiles des Motors, wobei die schwarzen Pole llordpole und die übrigen Pole Südpole sind. Da die Rotorpole alle fluchten, ist nur

- 7 -..909 8.4 8/0623

6ADOR16KKAL

ein einziger Rotor dargestellt. Zum Zeitpunkt tQ sind die Pole 13, 1.4, 15 und 16 liordpole und die Pole 13', 14', 15' und 16' Südpole, weil die Spulenhälften 5', 6', 7¹ und 8' erregt sind. Zum Zeitpunkt t. werden die Pole 1? Südpole und die Pole 13' Mördpole, weil die Spulenhälfte 5' ausgeschaltet und die Spulenhälfte 5" eingeschaltet wird. Infolgedessen verschiebt sich der Rotor über einen /ibstand d in der dargestellten Richtung. Dieser Abstand entspricht einem VJinkel-, der gleich einem Viertel des Steigungswinkels cc _t somit im betreffenden Beispiel gleich 3°45' ist. Zum Zeitpunkt t₂ wird die Spulenhälfte 6' ausgeschaltet und die Spulenhälfte 6" eingeschaltet, wodurch die Pole 14 Südpole und die Pole 14' Nordpole werden, so daß sich der Rotor wieder über einen Winkel von 3°45' verschiebt. Dann werden nacheinander die Spulen 7', 7" und 8', 8" ausgeschaltet bzw. eingeschaltet, wie in Fig. 3 dargestellt, bis zum Zeitpunkt tg der Ausgangszustand zum Zeitpunkt t_Q wieder erreicht ist, mit der Maßgabe, daß -der Rotor sich in acht Schritten über einen Winkel von 30 verschoben hat. Die Anzahl Schritte pro Umdrehung, die bei Anwendung von zwei Statoren 48 betragen würde, -ist auf diese ",veise verdoppelt' und beträgt somit 96.

Fig. 5a zeigt den Verlauf der zugeführten Energie als Funktion der Zeit und daraus ist ersichtlich, daß beim Umschalten die zugeführte Energie während sehr kurzer Zeit um-25% absinkt, aber, wie in Fig. 5b dargestellt . ist, das abgegebene Moment dabei nur um ca. 8% abfällt, so daß die'Gleichmäßigkeit des abgegebenen Moments erheblieh verbessert ist.

Bei diesem Motor kann die Anzahl Schritte dadurch verdoppelt werden j daß im stillstehenden Zustand abwechselnd vier bzw. drei Statoren erregt werden und für einen

" - 8 .-·-.-'90^848 /062 3

nächsten Schritt derjenige Stator ausgeschaltet wird, bei dem - in einer der gewünschten Drehrichtung entgegengesetzten Richtung gesehen - der Winkel zwischen den Statorpolen und den zugehörigen Rotorpolen am größten ist, während der nicht erregte Stator in einer . der des vorangehenden Stators entgegengesetzten Richtung erregt v;ird, vie in Fig. 6 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t_n sind widder die Pole 13, 14, 15 und 16 tlord-T)ole und die Pole 13', 14-'-, 15' und 16' Südpole, v/eil dir Spulenhälften 5', 6', -7' und 8' erregt und die Spulen 5", C", 7" und Π" nicht erreet sind. Zum Zeit- ·. punkt t^ wird nun die Spule 5^! ausgeschaltet, wodurch

fc sich der Rotor über den Abstand d.,, d.h. über einen '..'ir.kel von 1 °''2'3O" verschiebt. Beim nächsten Inrauln ' zu:.\ Teitpunkt t,,_: vird die Spule 5" eingeschaltet, wobei sich d'-r lioto¹" '.;ied^r über einen, V'inkel von 1.^o52'j50" verschiebt. Dann wird, zum Zeitpunkt t₇ die Spule 6' ausgeschaltet -und zum Zei punkt t^ die Spule-G" eingeschaltet, pc daß r-bweohselnd drei und vier Statoren erregt sind. Die unterschiedlichen Schritte sind für den halben Zyklus in Fig. 7 dargestellt-, in der die Kordpole schwarz sind und die nicht erregten -Polzähne schraffiert dargestellt sind, während die übrigen Pole Südpole sind. Der Verlauf der zugeführten Energie ist in Pig. 8a und des abgegebene Honent ist in Fig. 8b dargestellt. Die "An-

P zahl Schritte dieses Motors beträgt nun 192, wobei dos abgegebene Homent nur um ca. 8% variiert. Die Steuereinheit B kann aus einem mechanischen Schalter bestehen, wie in Fig. 9 schematisch für 96 Schritte und in Fig. 10 für 192 Schritte dargestellt ist. Ein derartiger Schalter kann z. B. von einem zweiten Schrittmotor angetrieben werden, der von den Eingangsimpulsen gesteuert wird und 6 bzw. 16 Schritte pro Umdrehung vollführt.

In diesem Falle besteht der Schalter aus acht auf einem Frei π angeordneten Kontakten 25, 26, 27, 28, 29, 30,

- 9 9 098/48/0623

bzw. 32, die mit den .'.pulen ?·, 6', 7·, 8', 5", 6", 7" bzw. 8" verbunden sind. An diesen Kontakten entlang erstreckt sich ein mit einer Klemme einer Gleichspannungsquelle Ba verbundenes metallenes Segment 33, das von einem Schrittmotor II mit 8 Schritten pro Umdrehung angetrieben wird, so daß das Segment bei jedem Impuls über 45>° verschoben wird, wenn der Schrittmotor 96 Schritte pro Mmdrehung vollführen muß, wie in Fig. 9 dargestellt ist, während das Segment von einem Schrittmotor Μ., mit '16 Schritten pro Umdrehung angetrieben wird, do daß es bei jeden: Impuls über 22°30' verschoben wird, wenn der Motor nach der Erfindung 192 Schritte pro Unidrehung vollführen muß, wie in Fig. 10 dargestellt ist.

Die Motoren"'M und M.. werden von den Eingangsimpulsen der Steuereinheit B der Figuren 3 bzv/. 6 angetrieben.

Naturgemäß kann der mechanische Schalter auch durch einen elektronischen Schalter ersetzt v/erden.

Patentansprüche: - 10 -

90984 8/0621

BAD

Claims

_ ,ο - 1 92223A

Patentansprüche: . :

"1. Schrittmotor, der aus einer Anzahl koaxialer mit je mindestens einer zwischen zwei aus v.'eich ferromagnetischem Material bestehenden Platten an-eordnete.i Ringspule versehener Statoren mit auf eineu Kreis an?--"-ordneten Polzähnen besteht, die bei Erregung sich abv;echselnde Mord- und SUdpole bilden, die nit gleichfalls auf einem Kreis angeordneten, sich abv;echselnden IJord- und Südpolen mindestens eines dauermagnetischen Rotors zusammenwirken, vobei die Anzahl Pole jedes Rotors gleich der jed°s Stators ist, dadurch gekennzeichnet, daß η Statoren vorgesehen sind, wobei η y 2 ist und die V.inkel zwischen den Polen ,jedes Stators in bezug auf die entsprechenden Rotorpole einerseits und zwischen den Polen jeweils eines anderen Stators in bezug auf die entsprechenden Rotorpole andererseits verschieden sind, v/elcher Unterschied gleich -^ mal der Teilwinkel der Pols desselben Stators ist, v/ob ei m eine ganze Zahl ist und zwischen 1 und (n-1) variiert.
2. Schrittmotor nach /nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen aus zwei Hälften besteht.
3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im stillstehenden Zustand säntliehe Rotoren erregt v/erden und für jeden Schritt derjenige Stator umgepolt wird, bei dem - in einer der gewünschten Drehrichtung entgegengesetzten Richtung gesehen - der ¥inkel zwischen den Statorpolen und den entsprechenden Rotorpolen am größten ist.
4. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im stillstehenden Zustand abwechselnd η bzw. (n-1) Statoren erregt sind und für einen nächsten

- 11-" ^:; 90 984S/06 2 3

BAD ORIGINAL

Schritt derjenige Ctntor ausgeschaltet vird, bei dem in einer der gewünschten Drehrichtung entgegengesetzten Richtung gesehen - der Vinkel tischen den Statorpolen und den entsprechenden Rotorpolen am größten ist, v:ährend der nicht erregte iH:ator in einer der des vorangehenden ,Stators entgegengesetzten Richtung erregt. v^rird.

: J9.P9 8/· 8/0.623