DE2117021A1

DE2117021A1 - Elektrischer Schrittmotor

Info

Publication number: DE2117021A1
Application number: DE19712117021
Authority: DE
Inventors: Tokuzo Tokio. H02k 23-24 Inariba
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 1970-04-07
Filing date: 1971-04-07
Publication date: 1971-10-21
Also published as: GB1315267A; US3693034A; FR2089364A5; JPS5025601B1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schrittmotor, der durch aufeinanderfolgende Steuerimpulse abwechselnd entgegengesetzter Polarität schrittweise in Umlauf versetzbar

ist.

Ein Schrittmotor rotiert unterschiedlich zu einem konventionellen Elektromotor nicht kontinuierlich, sondern wird bei jedem Steuerimpuls von der Drehzahl Null auf eine gewisse Winkelgeschwindigkeit beschleunigt uad wieder angehalten. Demzufolge muß sowohl dem Drehmoment als auch dem Trägheitsmoment eine besondere Aufmerksamkeit gewidmet v/erden. Da der Rotor eines konventionellen Elektromotors aus einem Permanentmagneten mit einem sehr hohen Ladungsmoment besteht, werden, wenn solche Rotoren für Schrittmotore

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ORIGINAL INSPECTED

vorgesehen sind, deren Anlauf char akter.i stikon nachteilig beeinflußt und/oder SchrittSprünge eintreten, ein Ph:aminen, "bei den die Anzahl der Umdrehungsschritte mit der Anzahl der Steuerimpulse nicht proportional ist. Außerdem erfahren konventionelle. Elektromotoren bei der Verwendung als Schrittmotoren eine so hohe Erwärmung, daß Kühlgebläse vorgesehen werden müssen. Konstruktion und Fertigung solcher Motore sind daher sehr kompliziert und führen zu einem niedrigen Wirkungsgrad bezüglich der Kraftabgabe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile zu vermeiden. Dies wird erreicht dvreh ein Motorgehäuse mit wenigstens einer voneinander unterteilte Gehäusereurne bildenden Trennwand; durch eine aus magnetisch nicht leitendem Material bestehende !Rotorwelle in drehbarer Lagerung im Motorgehäuse, und durch jeweils in einem zugeordneten der Gehäuseräume angeordnete Synchronmotoren, von denen jeder eine unipolar! si erbare Erregerwicklung und einen zur letzteren konzentrischen Permanentniagnetstator mi.t peripher abwechselnd aufeinanderfolgenden Kord- und Südpolen sowie einen auf der Rotorwelle drehfest angeordneten Rotor mit " Polzähnen einer sich von einem Basisteil in Richtung zum freien Zahnende verjüngend zwischen der Erregerwicklung und dem Permanentmagnetstator erstreckenden Zahnform aufweist, wobei die Permanentmagnetstatoren der Synchro'nmotore bezüglich ihrer Nord- und Südpole zueinander um eine dem Quotienten aus der Polteilung und der Anzahl der Synchromaotore entsprechenden Größenordnung versetzt sind. ,-r

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BADORKSJNAL

Auffrund dieser einfachen Konstruktionsiaaßnahmen ergeben sich mannigfaltige Vorteile. Die Polzähne des Rotors werden synchron mit den die Erregerwicklung beaufschlagenden Steuerimpulsen abwechselnd in Kord- und Südpole aufmagnetisiert und dadurch von den benachbarten Polen am Umfang des Permanentmagnets tat ors angezogen bzw. abgestoßen, wodurch die schrittweisen Umdrehungen des Rotors entstehen. Dieser kann daher ä gegenüber Permantmagnetrotoren, beispielsweise Ferritrotoren, mit wesentlich kleinerer Masse ausgebildet werden und eignet sich daher vorzüglich als Schrittrotor kleinen Trägheitsmoments und raschem Reaktionsvermögen auf die Steuerimpulse eines Impulsgebers , beispielsweise für Digitalmeßgeräte, für automatische Steuerungen von Werkzeugmaschinen u.dergl. Da die Polzähne des Rotors jeweils in Richtung zum freien Zahnende verjüngt sind und am letzteren eine Spitze bilden, wird der magnetische Kraftfluß übex' die gesamte Zahnlänge verteilt und mit dem magnetischen Kraftfluß des Permanentmagnetstators verkettet, so daß die Polzähne sehr hohen Anziehungs- und Abstoßungskräften unterworfen sind und auf den Rotor ein sehr großes Drehmoment übertragen, das einen hohen Wirkungsgrad des Synchronmotors % gewährleistet. Im letzteren entsteht eine so geringfügige Wärmeentwicklung, daß er ohne das Erfordernis" eines Kühlgebläses , gegebenenfalls in räumlicher Kombination mit aner temperaturempfindlichen Halbleiter-Schaltanordnung,arbeiten kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der anliegenden Zeichnung näher beschrieben, wobei dieser Beschreibung weitere Konstruktionsdetails und damit verbundene Vorteile zu entnehmen sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 einen schematischen Längsschnitt durch einen * Synchronmotor der vorherbeschriebenen Art;

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IPig.2 einen schematischen Querschnitt durch den Synchronmotor;

Fig.3 eine schaubildliche Darstellung eines dem Synchronmotor zugeordneten Rotors;

Fig.'+ eine schematische Darstellung der magnetischen

Kraftflußverteilung um Polzähne des Rotors gemäß Fig.3 im Kraftfeld eines Permanentmagneten;

Fig.5 einen schematischen Längsschnitt durch eine bevorzugten Ausführungsform eines Synchronmotors;

Fig.6 ein Schaltschema für eine Erregerwicklung, und

• · ι

Fig.7 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des Synchronmotors gemäß Fig.5·

Ein Synchronmotor gemäß Fig.1 bis 4 besteht aus einem Weicheisengehäuse 1, das als Magnet joch eines Wechselmagneikreises ausge-r bildet und mit einer Grundplatte 2 ausgestattet;ist. Im Gehäuse ist eine Erregerwicklung 3 befestigt und über einen durch eine Gehäusewand hindurchgeführten Anschlußkentakt 4 an eine Wechselstromquelle anschließbar. Der zentrische Bereich der Grundplatte 2 ist durch einen abnehmbaren Magnetträger 5 aus Weicheisen mit einem in das innere des Gehäuses 1 vorspringenden Singwulst 5a gebildet, der ein zentrisch imMagnetträger 5 befestigtes, ölgetränktes Sinterlager G umschließt» Im letzteren ist eine Rotorwelle 7 aus magnetisch nicht leitendem Matenal drehbar gelagert und am inneren Ende mit einem Rotor 8 über eine Nabe 9 drehfest verbunden.

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Wie der Fig. 3 entnommen v/erden kann, ist der Rotor 8 mit Polzähnen 8a ausgebildet, die jeweils ausgehend von einem Basisteil 8b in Richtung zum freien Zahnende verjüngt sind. Innerhalb des Ringwulstes 5a des Magnetträgers 5 ist ein Permanentmagnetstator 10, "beispielsweise Ferritstator, mit peripher abwechselnd aufeinanderfolgenden Nord- und Südpolen befestigt. Die Polzahl des Stators 10 entspricht einem gerad- , , zahlingen Vielfachen der Anzahl der Polzähne 8a des Rotors 8. ™ Beim Ausführungsbeispiel erfolgt die Befestigung des Stators 10 am Magnetträger 5 mittels eines Magnethalters 11, der mit dem Sinterlager 6 verbunden ist.

Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Anschlußkontakte 4 der Erregerwicklung 3 wird im Gehäuse 1 ein Wechselmagnetfeld aufgebaut, durch das die Polzähne 8a.des Rotors 8 synchron mit der Frequenz der Wechselspannungsquelle abwechselnd zu Nord- und Südpolen aufmagnetisiert werden. Diirch die hierbei entstehenden Abstoßungs- und Anziehungskräfte zwischen den Polzähnen 8a des Rotors und den Polen des Stators 10 wird der Rotor 8 synchron mit der Frequenz der Wechselspannungsquelle in Umlauf versetzt. Der Ringwulst 5a aes Magnetträgers 5 ist derart gegenüber den Polzähnen 8a des Rotors 8 angeordnet und gegen den Stator 10 abgestützt, daß der Kraftlinienfluß des durch die Erregerwicklung 3 aufgebauten Magnetfeldes wirksam mit dem durch den Stator 10 aufgebauten Wechnelmagnetfeld verkettet wird.

Die magnetische Kraftliniendichte in den Polzähnen 8a des Rotors 8 ist an den freien Zahnenden am größten, da diese wegen ihrer jeweils spitzen Ausbildung den größten magnetischen Widerstand bilden und der Kraftlinienfluß vom Basisteil 8b ausgeht, wie dien in der Fig.4 dargestellt ist. Der magnetische Kraftlinienfluß

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verteilt sich, über die wesentliche. Länge der Polxähne 8a und erfährt eine wirksame Verkettung mit dein magnetischen Kraftlinienfluß des Stators 10, wodurch zwischen dessen Polen und den Polzähnen 8a sehr starke Anziehungs- sowie Abstoßungskräfte auftreten und dem Hotor 8 ein erhebliches Drehmoment bei geringfügiger Erwärmung des Synchronmotors verleihen. Dieser arbeitet daher mit einem sehr hohen Wirkungsgrad.

In der Fig.5 ist ein Tanaem-Schrittmotoraggregat mit wenigstens ■ zwei Synchronmotoren dargestellt» Dieses Aggregat v/eist ein Motorgehäuse 21 auf, in dem durch eine Trennwand 22 aus Weicheisen zv/ei Gehäuseräume 21a,21b voneinander unterteilt sind. In Jedem der letzteren ist einer von zwei der vorherbeschriebenen Synchronmotor^ angeordnet. Diesen ist jeweils eine Erregerwicklung 23 bzw. 23' zugeordnet und im Gehäuse 21 durch einen Haltering 24 bzw. 24' befestigt. An jeder Innenseite der beiden GehäuseStirnwände ist ein Magnetträger 25 bzx*. 25^! befestigt und mit einem zum Gehäuseinneren weisenden liingwulst 25a bzw. 25a¹ ausgebildet. Wk Die Ringwulste 25a,25a' umschließen jeweils einen mittels einen Magnethalters 26 bzw. 26' befestigten Permanentinagnetstator 27 bzw.27'. Die Statoren 27,27' sind gemäß Fig.7 zueinander um eine halbe Polteilung, d.h. um eine dem Quotienten aus der Pol teilung und der Anzahl der oynchronmotore entsprechende Größenordnung , winkelversetzt.

An der rückseitigen Wandung des Gehäuses 21 und am Magnet träger 25' sind Lagerträger 28,28' mit zugeordneten, ölgesättigten Sinterlagern 29,29* angeordnet, in denen eine aus magnetisch nicht leibendem Material gefertigte Rotorwelle (30) drehbar pOlfi

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ist. Deren axial schiebefeste Lagerung wird durch schematisch angedeutete Stützlager 31,31' gewährleistet. Jedem der beiden Synch.t?onmotore ist ein Rotor 32 bzw. 32a zugeordnet und .mittels einer Nabe 35 bzw. 33' auf der Rotorwelle 30 drehfest angeordnet. Aus dem GehäiiPe 21 ist sowohl eine Speiseleitung 3^ für die Erregerwicklungen 23,23' als auch die Rotorwelle mit einem Wellenende herausgeführt, auf dem eir Ritzel 35 drehfest angeordnet ist. *

Gemäß Fig.6 sind die Erregerwicklungen 23,23' jeweils mit zwei in Reihe geschalteten Wicklungsabscbnitten 23a,23b bzw. 23a',23b¹ ausgebildet. Die Reihenschaltungspunkte der Wicklungsa.bschnitte 25a,2ob und 23a',23b¹ sind jeweils mit dem negativen Pol einer Gleichspannung quelle E verbunden, an deren positiven Pol sowohl ein Umschaltkoiitakt e des Umschalters SW 1 als auch ein Umschaltkontakt f des Umschalters SV/ 2 angeschlossen ist. Durch Betätigen der Umschalter SV/ 1, SW 2, können die Wicklungsabschnitte 23a, 23b bzw. 23a',23b¹ der Erregerwicklung 23 bzw.23' abwechselnd entgegengesetzt polarisiert mit Steuerimpulsen aus der Gleichspannungsquelle E beaufschlagt werden.

Falls die Erregerwicklungen 23,23' stromlos sind, indem sich beispielsweise die Umschaltkontakte e,f der Umschalter SW 1, SW 2 in einer mittleren Neutralstellung befinden, werden die Rotoren 32, 32' gemäß Fig.7 (a) in einer Stellung gehalten, in der die beispielsweise mit meiner dem Zweifachen der Polteilung des Stators bzw. 27' entsprechenden Polteilung am Rotor 32 bzw. 32' angeordneten Polzähne 32a bzw. 32a' gemäß Fig.7 (a) in einer gegenüber den Polmitten des Stators 27 bzw. 27' um ein Viertel dessen Polteilung versetzten Stellung festgehalten weiden.

Werden die Wieklungsabschnitte 23a,23a' der Erregerwicklungen 23,23Ί

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über die Umschalter SV/ 1, SW 2 mit der Spannungsquelle E verbunden und dadurch beispielsweise sowohl die Polzähne 32a des Rotors 32 als auch die Polzähne 32a¹ des Rotors 32' zu Nordpolen aufmagnetisiert, so werden die Polzähne 32a¹ aufgrund der vom seitlich daneben befindlichen Südpol des Stators 27' ausgeübten Anziehungs- sowie der gleichzeitig vom benachbarten Nordpol des Stators 27' ausgeübten Abstoßungskraft über eine Schrittgröße SG in die Stellung gemäß Fig.7 (b) bewegt. Beim Ausführungsbeispiel entspricht die Schrittgröße SG etwa der halben Polteilung des Stators 27 bzw.27',so daß die Polzähne 32a bzw. 32a¹ jeweils wiederum gegenüber der Mitte dos benachbarten Statorpols um ein Viertel der Statorpolteilung seitlich versetzt bzw. vom vorher benachbarten Statorpol entfernt sind.

Wie bereits im Zusammenhang mit den Fig.1 bis 4- erläutert, sind auch die Polzähne 32a, 32a¹ jeweils vom einen Basiteil ausgehend in Richtung zum freien Zahnende spitz'auslaufend verjüngt,so daß die magnetische Kraftliniendichte in jedem Polzahn in Richtung zum freien Zahnende größer wird und dem Rotor ein großes Drehmoment verleiht.

Wird nunmehr mittels des Umschalters SW 1 anstelle des Wicklungsabschnitts 23a der. Erregerwicklung 23 deren Wicklungsabschnitt 23b an die Spannungsquelle E gelegt und diese weiterhin über den Umschalter SW 2 mit dem Wicklungsabsclinitt; 23a' der Erregerwicklung 23 verbunden bleibt, so werden beispielsweise nur die Polzähne 32a des Rotors 32 zu Sildpolen ummagrietisiert und in der vorher-""-■3sehriebenen Weise aufgrund der Anziehungskräfte des-jeweils danebenliegenaen entgsgenpolarisiertsn. sowie des jeweils benachbarten gleichpolarisierten PoIa des Stators 27 um eine Schrittgröße SG''in die .Stellung gemäß 7 (c) bewegte

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Wird nunmehr zusätzlich zum Wicklungsabschnitt 23b der Erregerwicklung 23 auch der V/i cklungs abschnitt 23b¹ der Erregerwicklung 23" über den Umschalter SV/ 2 an die Spannungsquelle E gelegt, so v/erden auch die Polzähne 32a¹ des Rotors 32 zu Südpolen ummagnetisiert und in der vorher beschriebenen Veise um eine Schrittgröße in die Stellung gemäß Fig.7 (d) bewegt. Eine weitere Rotorenbewegung um eine Schrittgröße 7g * in die Stellung gemäß Fig.7.(e) erfolgt dann, wennder Wicklungsabschnitt 23b¹ der Erregerwicklung 23 über den Umschalter SV/ 2 weiterhin mit der Spannungsquelle E verbunden bleibt und diese über den Umschalter SW 1 mit dem Wicklungsabschnitt 23a der Erregerwicklung 23 verbunden wird.

Durch weiteres Betätigen der Umschalter SW Ί, SV/ 2 in der vorher beschriebenen Reihenfolge kann das Rotortandem 32,32' in Umlauf gehalten werden, wobei die Drehzahl proportional zur Anzahl cter über die Umschalter SW 1, SV/ 2 an die Erregerwicklungen 23,23' abgegebenen Steuerimpulse 'ist. Durch eine gegenüber der oben beschriebenen Betätigung der | Umschalter SW 1, SW 2 in umgekehrter Reihenfolge vorgenommene Schalterbetätigung kann die Drehrichtung des ^vRo'tortandems 27,27' umgekehrt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Anstelle der mechanischen Umschalter SW 1, SW 2 könnten elektronische Umschalter, beispielsweise in Flip-Flop-Schaltung, vorgesehen werden, wodurch eine sehr hohe Schrittgeschwindigkeit erzielbar wäre. Ebenso könnten dem Schrittmotor zum Verkleinern der Schrittgröße SG mehr als zwei Tandem-Synchronmotore zugeordnet werden, deren Permanentmagnetstatoren bezüglich

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ihrer Nord- und Südpole zueinander um eine der Polteilung dividiert durch die jeweilige Anzahl der Synchronmotor« entsprechende Größenordnung winkel versetzt sind. Auch die beim Aus führ um;;:- beispiel außerhalb der Permanentmagnetstatoren angeordneten Er-. regerwicklungen könnten bei einer unterschiedlichen Ausführung des Schrittmotors von dessen Pennanentmagnetstatoren umschlossen sein. ' .

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Elektrischer Schrittmotor, der durch aufeinanderfolgende Steuerimpulse abwechselnd entgegengesetzter Polarität schrittweise in Umdrehung versetzbar ist, gekennzeichnet durch ein Motorgehäuse (21) mit wenigstens einer voneinander unterteilte Gehäuseräume (21a, 21b) bildenden Trennwand (22); durch eine aus magnetisch nicht leitendem Material bestehende Rotorwelle (30) in drehbarer

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Lagerung im Motorgehäuse und durch jeweils in einem zugeordneten der Gehäuseräume angeordnete Synchronmotoren, von denen jeder eine umpolarisierbare Erregerwicklung (23 bzw. 23') und einen zur letzteren konzentrischen Permanentcagnetstator (27 bzw.27') mit peripher abwechselnd aufeinanderfolgenden Kord- und Südpolen sowie einen auf der Rotorwelle drehfeat*angeordneten Rotor (32 bzw.32') mit Polzähnen (32a bzw.32a¹ ) "einer sich von einem Basisteil in Richtung zum freien Zahnende verjüngend zwischen der Erregerwicklung und dem Permanentmagnetstator erstreckendsn Zahnform aufweist, wobei die Permanentmagnetstatoren der Synchronmotore bezüglich ihrer Nord- und Südpole jeweils um eine dem Quotienten aus der Polteilung und der Anzahl der Synchron motore entsprechenden Größenordnung; versetzt sind.

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2. Schrittmotor nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die umpolarxsxerbaren Erregerwicklungen (23,23^!) jeweils zwei in Reihe geschaltete Wicklurigsabschnitte (2Ja,23b bzw. 23a', 23b') aufweisen, die abwechselnd gegenpolarisxert an eine Spanmmgsquelle (E) anschaltbar sind.

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