DE2129908A1 - Elektromagnetsystemanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektroinagnetsystemanordnung, mittels der ein Magnetanker in eine allein durch ein Magnetfeld stabilisierte lage einstellbar ist.

Eine besondere Variante der Magnetsy^temanordnungen, auf welche sich die Erfindung bezieht, ist ein sogenannter Schrittmotor. Sowohl bei Schrittmotoren als auch bei Tauchankermagneten wird der Magnetanker in der Regel nur durch ein erzeugtes Magnetfeld in einer stabilen Einstellage gehalten, im Gegensatz zu Klapp^-aankermagneten, bei denen der Klappanker durch das PeId des Elektromagneten an einen Anschlag, beispielsweise an den einen Magnetpol herangezogen wird und dort in der stabiHcm lage anliegt. V/ird bei Klapp&siankerroagneten der Magnetanker ungedämpft in Richtung auf den Anschlag angezogen, so treten beia Aufschlag des Magnetankers auf diesem Anschlag Prell-Gf hv/ingungen auf. Ähnliche Schwingungen treten auch auf, wenn bei einem Tauchankermagnet oder bei einem Schrittmotor der Anker in eine Einstellage bewegt wird, mit der Ausnehme, daß der Anker nicht gegen einen festen Anschlag schlägt und sofort wieder zurückgeworfen wird, sondern daß dieser Anker über die zu ersielende Einstellage herausschwingt, in diese wieder zurückgeführt wird und möglicherweise bei hoher eigener Bewegungsenergie wiederholt um die zu erzielende Einstellage pendelt. Bei Schrittmotoren kann das Überpendeln des Magnetankers bei höheren Einstellgeschwindigkeiten so groß sein, daß der Magnetanker bereits in die nächste Einstellage hineinschwingt. Die bei schnellen Einytellbewegungen erzielten Zeitgewinne werden durch das o/j Ende der Einstellbewegung auftretende Einpendeln in die Einstellage somit stark reduziert,, wenn nicht gar aufgehoben.

VPA 9/240/1035 VPA 9/240/1064

Re/Pe

209852/0355

-2-

BAD ORIGINAL

für Schrittmotoren ist eine Anordnung bekannt geworden (US 1 615 333)» durch welche ein übermäx^iges Üb er schwing en des Magnetankers um die Einstellage dadurch verhindert wird» daß die Reihe der Motorspeisestromimpulse vor dem Erreichen der erwünschten Haltestellung unterbrochen wird und daß nach dieser Unterbrechung erst ein Haltestromimpuls dem Motor zugeführt wird. Dadurch wird der Magnetanker durch die von den Motorpolen ausgeübte Bremskraft und durch zu überwindende Reibungskräfte vor Erreichen der Endstellung abgebremst, so daß der Haltestromimpuls den Magnetanker mit geringeren Schwingungsamplituden in die erwünschte Einstellung einstellt. Dieses Verfahren zum Einstellen des Ankers eines Schrittmotors ist einerseits unvollkommen und andererseits aus steuerungstechnischen Gründen auf v/endig. Unvollkommen ist das Verfahren deshalb, da eine eigentliche Dämpfung der Ankerbewegung in die Ruhestellung nicht stattfindet; sondern lediglich durch Unterbrechung der Antriebsenergie die Geschwindigkeit des Magnetankers vor Erreichen der Einstellung herabgemindert wird. Dabei'ist jedoch immer darauf abzustellen, welche Bewegungsenergie der Anker des Schrittmotors bereits erreicht hat, um für die Abbremsung des Ankers durch die von den Motorpolen ausgeübte Bremskraft genügend Zeit einzuräumen. Gerade bei sich selbst steuernden Schrittmotoren wird bis zur Erreichung der endgültigen Einstellage insbesondere in Abhängigkeit von den su beschleunigenden Trägheitsmassen die Geschwindigkeit fortlaufend bis zu einer Endgeschwindigkeit gesteigert. Bei kurzen Einstellwegen ist diese Endgeschwindigkeit keineswegs erreicht. Beim Abbremsen in die Einstellage sind außer dieser erreichten Geschwindigkeit auch die nunmehr abzubremsenden Trägheitsmassen zu berücksichtigen. AU diese Faktoren sind von einer aufwendigen Steuereinrichtung zu berücksichtigen und auszuwerten, um eine Unterbrechung der zugeführten Einstellenergie rechtzeitig zu gewährleisten.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Magnetsystemanordnung bereitzustellen, bei der allein durch ein Magnetfeld ein

VPA 9/240/1033 -3-

VPA 9/24O/IO64

209852/0355

BAD ORIGINAL

2129S08

Magnetanker in eine stabile Lage einstellbar ist, welches τοπ sich aus ohne von außen gesteuerte Maßnahmen eine wirksame Dämpfung des in die Ruhelage gelangenden Magnetankers gewährleistet.

Eine Magnetsystemanordnung, welche die gestellte Aufgabe zufriedenstellend löst, ist erfindungsgeniäß gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei in Anzugrichtung des Magnetankers nacheinander angeordnete, gegeneinander magnetisch getrennten Magneteinzelsystemen, deren Erregerwicklungen zueinander parallel geschaltet und deren Anker miteinander fest verbunden sind, und durch Beaufschlagung der Erregerwicklungen mit einem Erregerstrom, welcher um den Strom, welcher infolge der durch die Bewegung des Ankers hervorgerufener Gegeninduktion erzeugt wird, geringer ist als ein eine Sättigung der Magnetsysteme bewirkender Strom.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Magnetsysternanordnung und die entsprechende Beaufschlagung mit Erregerstrom wird sich der Magnetanker jeweils zwischen die beiden Pole der beiden Magneteinzelsysteiae einstellen, wobei die Einzelmagnetsysteme in der Eiiistellage entgegengesetzt auf den Anker einwirken« Während des Einstellvorganges wirken zu allererst oeido Kagneteinzelsysteme gleichermaßen auf den Magnetanker. Verläßt jedoch der Magnetanker während des Einstelivcr-ganges die erste in der Anzugrichtung liegende Erregerspule und gelangt der Kagnetanker nunmehr in den Bereich der dahinter angeordneten Erregerspule, um sich zwischen den Polen dieser beiden Erregerspulen einzustellen,

VPA 9/24O/IO33 -A-

VPA 9/240/1064

2098S7/035P BADOB₁G₁NAL

so wird in beiden Erregerspulen ein Induktionsstrom erzeugt, welcher sich zu dem Strom der. von dem Magnetanker verlassenen Erregerspule hinzuaddiert und vom Strom der vom Anker angestrebten Erregerspule abgezogen wird. Im Bereich der anzustrebenden Einstellage des Magnetankers treten somit jeweils in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und von der Bewegungsrichtung des Magnetankers die Geschwindigkeit des Magnetankers dämpfende Kräfte infolge der auf die Magnetsysteme durch den Anker hervorgerufene Induktion·erzeugten Ausgleichsströme auf.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Magnetsystemanordnung gekennzeichnet durch die Anordnung der gleichnamigen Pole der beiden Magneteinzelsysteme in unmittelbarer Nachbarsehaft und durch die Verwendung eines gemeinsamen Magnetankers.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist die erfindungsgemäße ElektromagnetSystemanordnung in der Verwendung als Schrittmotor gekennzeichnet durch die Anordnung je ein.es Paares von gleichzeitig erregbaren, unmittelbar aufeinanderfolgenden Ständerwicklungen je Einstellage des Rotors.

Nach einer anderen bevorzugten Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Elektromagnetsystemanordnung in der-Verwendung als Schrittmotor gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei gleichartigen, die gleiche Anzahl von Ständerwicklungeri und Rotorpölen aufweisenden Schrittmotoreinzelsysteraen mit phasenstarr miteinander gekuppelten Rotoren und durch gleichzeitige Ansteuerung von in Drehrichtung der Rotoren um eine Polbreite bezüglich der Phasenlage der Pole der beiden Rotoren versetzt angeordneten Ständerwicklungen der Schrittmotoreinzelsysteme.

Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft $ die Elektromagnet systemanordnung in Verwendung als Schrittmotor zu kennzeichnen durch die Anordnung der Ständerwicklungen in

VPA 9/240/1033 -5-

VPA 9/240/1064

2098S3/03SH

BAD ORIGINAL

gleichen Abständen und durch fortlaufende Zusammenschaltung zweier aufeinander folgender Wicklungen. Somit werden für den Betrieb der erfindungsgemäßen Elektromagnetsystemanordnung keine weiteren Ständerwicklungen zum Erzielen des gewünschten Effektes benötigt.

Eine optimale Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Elekti-omagnetSystemanordnung als Schrittmotor wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Anordnung dadurch erreicht, daß die Breite der Rotorpole und die Breite der Pole der Ständerwicklungen gleich sind der Schrittbreite des Schrittmotoi-s, welche resultiert als der aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Anzahl der Statorpole und der Rotorpole sich ergebende Teil einer ganzen Umdrehung des Rotors.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Elektromagnetsystemanordnung sind im einzelnen anhand der. Zeichnung im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig.1 Ein Schema eines gedämpften Tauehanker-Elektromagnetsystems,

Fig.2 ein Diagramm, aus welchem die auf den Magnetanker nach Pig.1 wirkenden Kräfte je nach der Stellung dieses Magnetankers bezüglich der beiden Elektromagneteinzelsysteme zu entnehmen sind,

Pig.3 in vereinfachter Darstellung den Aufbau eines aus zwei Systemen zusammengebauten Schrittmotors und,

Pig.4 ein Diagramm des Bewegungsverlaufs bei ungedämpften Schrittmotor und,

Pig. 5 ein Diagramm des Bevvegungsverlaufs bei gedämpftem Schrittmotor.

Das nach Pig.1 aufgebaute, gedämpfte Tauchankermagnetsystem hat zwei parallel arbeitende Magnetjoche 1 und 2, mit zwei parallel geschalteten Wicklungen 3 und 4. Der Anker 5, dessen Breite der Breite der Pole der Magnetjoche 1 und 2 entspricht, befindet sich in der gezeichneten Stellung in der Ausga'ngslage.

VPA 9/240/1033 ■ -6-

VPA 9/240/1064

209852/0355

BAD ORIGINAL

7129908

Beim Einschalten eines Stromes I wirken zunächst die beiden Einzelmagnetsystame in gleicher Richtung auf den Anker 5 ein. Ihre Kräfte addieren sich, bis der ■ Magnetanker 5 zwischen den Polen des Magnetjoches 1 angelangt ist. Von dieser Stellung an wirkt das Magnetsystem 1,3 dem Magnetsystem 2,4 entgegen, bis in der strichpunktiert gezeichneten Stellung des Ankers 5, also der Arbeitsstellung, die von den beiden Einzelinagnetsystemen auf den Magnetanker 5 entgegengesetzt v/irkenden Kräfte gleichgroß sind, so daß der Magrietanker zur Ruhe kommt.

In der senkrechten Koordinate des Diagramms nach Fig.2 sind die auf den Magnetanker 5 wirkenden Kräfte P der beiden Einzelmagnetsysteme getrennt und aufaddiert wirkend dargestellt, während in der waagrechten Koordinate die Stellung des Ankers 5 zu den beiden B.mselelektromagnetsystemen aufgetragen ist. In der strichpunktierten dargestellten Lage A steht der Elektromagnet genau-zwischen den Polen des Magnetjoches 1, in der strichpunktiert dargestellten Lage B zv/ischen den beiden Polen des Magnetjoches 2 und in der strichpunktiert dargestellten Lage 0 genau zwischen den beiden Stellungen A und B. Die Kurven I und. II geben die Kräfteverhältnisse wieder, welche durch die beiden Magnetsysteme 1,3 bzw. 2,4 ohne gegenseitige Beeinflussung- auf den Magnetanker 5 ausgeübt v/erden. Die Kurve III spiegelt eine einfache Addierutig der Kräfte nach der Kurve I und der Kurve II wieder und zeigt, daß ohne eine gegenseitige Beeinflussung der beiden EiiiKelmagnetsysterue rückstellende Kräfte auf den Magnetanker erst einwirken, wenn dieser die zu erzielende Mittelstellung C bereits überschritten'hat.

Bei der Anordnung gemäß Fig.1 treten jedoch demgegenüber günstigere Kräfteverhältnisse zur Abbremsung des föagnetankers beim Einlaufen in die Arbeitsstellung C auf. Bewegt Rieh

VPA 9/240/1033 -7-

VPA 9/240/1064

209852/0355

BAD OFUGlNAL

—1—

nämlich der Anker 5 in diese Sollstellung, so wird zunächst entsprechend der Flußerhöhung in den beiden Wicklungen 3,4 eine der Betriebsspannung entgegengesetzte Spannung induziert, welche die Leistungsaufnahme und damit die Kraft beider Magneten etwas vermindert. Wenn der Anker in der Mitte zwischen den beiden Polen des Magnetjoches 1 in der Stellung A angelangt ist, wird der Magnetfluß im Magnetjoch 1 wieder se3iwächer, während er im Magnet joch 2 zunimmt. In der Wicklung 3 wird jetzt eine Spannung induziert, die die gleiche Richtung wie die Betriebsspannung hat, während sie in der Wicklung 4 entgegengesetzt ist. Da beide Wicklungen elektrisch parallel geschaltet sind, fließt ein Ausgleichsstrom i, der die Durchflutung in der Wicklung 3 verstärkt und in der Wicklung 4 im gleichen Maße schwächt. Die Bremskraft des Magnetsystems 1,3 Wird dadurch wesentlich größer, was sich in der Kurve Ia-b wiederspiegelt, während die Antriebskraft des ISagneten 2,4 geschwächt wird, wie die Kurve Ila-b zeigt. Dies hat zur Folge, daß sich der Nulldurchgang der Summenkurvc HIa erheblich nach links verschiebt und die Bremswirkung schon vor Erreichen der Endstellung einsetzt, In den beiden Wicklungen wird zusätzlich die durch don Ausgleichsstrom erzeugte Energie in Wärme'umgesetzt. Sie wird von der kinetischen Energie des Ankers geliefert und ist proportional dem Quadrat der Momentangeschwindigkeib des Ankers. Ist die kinetische Energie des Ankers beim Erreichen der Arbeitsstellung C noch nicht aufgebraucht, so schwingt der Anker über. Die Bremskraft nimmt dabei weiter zu (Kurve lila nach Stellung C), weil die Antriebskraft des Einzelmagnetsystems 2,4 rasch abnimmt (Kurve Ha), während die Bremskraft des Einzelmagnetsysteres 1,3 nahezu konstant bleibt (Kurve Ia).

Bei der nun einsetzenden Rückwärtsbewegung des Ankers steigt die Bremskraft des Einzelmagnetsystems 2,4 rasch an, während die Antriebskraft des Sinzelmagnetsystems 1,3 nahezu konstant ist. Die Ankerrückwirkung ist wirksam, solange der Anker in

VPA 9/240/1035 -8-

VPA 9/240/1064

BAD OFMGIMAL

Bewegung ist. Dies wirkt sich so aus, daß die Kraft des Einzelmagnetsystems 2,4 nach der Kurve Hb und die des Einzelmagnetsystems 1,3 nach der Kurve Ib verläuft und sich ein resultierender Kraftverlauf gemäß Kurve IHb ergibt. Infolge der Dämpfung wird also die Rückstellkraft rasch kleiner und kehrt ihre Richtung um, noch bevor der Anker seine Endstellung erreicht hat, wodurch der Anker wieder abgebreinst wird und in seine Endstellung einläuft.

Die Pig. 3 zeigt einen Schrittmotor mit einem Schrittwinkel von 45 c Dieser Schrittmotor ist aus zwei in zwei Ebenen angeordneten Einzelsystemen aufgebaut und hat insgesamt vier Magnetsysteme 6,7,8,9» die auf die zwei hintereinander liegenden vierpoligen Ständerjjackete verteilt sind. Die Magnetsysteme 6,8 sind in der vorderen, die Magnetsysteme 7,9 in der hinteren Ebene angeordnet. Der zweipolige Rotor ist ebenfalls in die beiden Ebenen geteilt, wobei seine beiden Hälften um eine halbe Schritteinteilung, d.h* um 22,5° versetzt sind. Die Wicklungen der Magnetsysteme 8,9 sind der Übersicht wegen nicht dargestellt.

Der Motor könnte in bekannter Y/eise in Bewegung gesetzt werden, indem die Wicklungen der Reihe nach einzeln erregt werden. Beim Anhalten treten dann die in.Pig.4 gezeigten starken Pendelschwingungen auf, bis der Rotor im Feld des zuletzt erregten Magneten zur Ruhe kommt, wobei ω der Drehwinkel des Roters und mit A die Zeit aufgetragen ist. Die übereinander angeordneten Schwingungslinien geben die Endphasen von v.erschieden großen Einstellbewegungen wieder, welche nach einer bestimmten Vielzahl von direkt aufeinanderfolgenden Schritten erreicht werden.

Werden zwei in der Reihenfolge benachbarte Wicklungen para]IeI geschaltet und gleichzeitig erregt, z.B. die beiden Wicklungen 6 und 7, so stellt sich der Anker des Rotors 10 in die in der Fig.3 gezeigte Ruhestellung ein, in welcher die Kräfte.der

VPA 9/240/1033 ' -9-

VPA 9/240/1064

209852/0355

BAD ORIGINAL

Magnetsysteme 6 und 7 auf die Pole des Rotors 10 im Gleichgewicht sind. Durch Abschalten der Wicklung 6 und gleichzeitiges Zuschalten der Wicklung 8 dreht sich der Anker 5 um 45 weiter. Pur den nächsten Drehschritt werden die '7/icklungen 8 und 9 erregt. Das Diagramm nach Fig.5 zeigt die durch diese Anordnung erzielbare Einstellbewegung in die jeweiligen Ruhelagen, wobei das verbesserte Verhalten gegenüber dem Verhalten nach Fig.4 deutlich ersichtlich ist.

Wie bei dem beschriebenen Tauchankermagneten wird dieses Verhalten dadurch erreicht, daß beim Abbremsen in der bremsenden Wicklung infolge der Ankerrückwirkung eine Spannung induziert wird, die die gleiche Richtung wie die Betriebsspannung ba während die induzierte Spannung in der antreibenden Wicklung der * Betriebsopannung entgegengesetzt ist» Da beide Wicklungen parallel geschaltet sind, fließt ein kräftiger Ausgleiohsstrcm, der die Kraft der bremsenden Wicklung verstärkt und. die Kraft der antreibenden Wicklung schwächt, σο daß das Motordrehroomsiit schon vor Erreichen der Sollstellung stark abgebremst wird. In den beiden angeschalteten Wicklungen wird beim Bremsen zusätzlich elektrische Energie in Wärme umgesetzt, die von der kinetischen Energie des Rotors geliefert wird. Der Motor v/ird somit geschwindigkeitsabhängig abgebremst und ebenso gedämpft, wie der zuvor beschriebene Tauchankermagnet.

Ist der Mo-tor mit einem größeren Trägheitsmoment belastet, | so benötigt er unter Umständen mehrere Drehschritte, um auf seine Endgeschwindigkeit zu kommen. Hierbei wird mit zunehmender Geschwindigkeit infolge der Ankerrückwirkung die Leistungsaufnahme und damit das Drehmoment geringer, bis sich bei der Endgeschwindigkeit Gleichgewicht mit dem Laotmoment einstellt. Dementsprechend muß der Motor zum Anhalten gegebenenfalls Über mehrere Schritte verzögert werden. Dien kann dadurch geschehen, daß z.B. der vorletzte oder drittletzte Umöchaltetakt unterdrückt wird. Das Drehfeld des Stators bleibt

VPA 9/240/1033 -1 ΟΥΡΑ 9/240/1064

209852/0355

BAD ORIGINAL

dabei gegenüber dem sich weiterdrehenden Rotor zurück und bremst dadurch vorab den Rotor des Motors.

Die beschriebene Anordnung ist bei Schrittmotoren mit vier und mehr Wicklungssträngen anwendbar. Bei Schrittmotoren üblicher Bauart mit nur drei Wicklungssträngen ist das Parallelschalten zweier Wicklungen während der Antriebsphase des Motors wenig sinnvoll, da sich dabei die Magnetkräfte teilweise entgegenwirken und den Wicklungsgrad des Motors herabsetzen. Während des Bremsens und in der Anhaltestellung hat das gleichzeitige Erregen zweier Wicklungen auch hier den gewünschten Effekt.

Die Voraussetzung für die Wirksamkeit der beschriebenen Dämpfung ist, daß die beiden jeweils parallel geschalteten Wicklungen zwei voneinander unabhängige Magnetsysteme bilden, in deren Wickliingen durch die Ankerbewegung in der Nähe der Anhaltestellung zwei entgegengesetzte Spannungen induziert werden.

6 Patentansprüche
5 Figuren

VPA 9/240/I033 -11-

VPA 9/240/1064

209852/0355

Claims (6)

1. Patentansprüche

   ' 1.) Elektromagnetsystemanordnung mittels der ein Magnetanker in eine allein durch ein Magnetfeld stabilisierte Lage einstellbar ist, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei in Anzugrichtung des Mangetankers nacheinander angeordneten, gegeneinander magnetisch getrennten Magneteinzelsystemen, deren Erregerwicklungen zueinander parallel geschaltet und deren Anker miteinander fest verbunden sind, und durch Beaufschlagung der Erregerwicklungen mit einem Erregerstrom, welcher um den Strom, welcher infolge der durch die Bewegung des Ankers hervorgerufener Gegeninduktion erzeugt wird, geringer I ist als ein eine Sättigung der Magnetsysteme bewirkender Strom.
2. 2. Elektromagnetsystemanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung der gleichnamigen Pole der beiden Magneteinzelsysteme (1,35 2,4) in unmittelbarer Kachbarschaft und durch die Verwendung eines gerneinsanieri Magnetankers (5).
3. J5· Elektromagnetsystemanordnung in der Verwendung als Schrittmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Anordnung je eines Paares von gleichzeitig A erregbaren, unmittelbar aufeinanderfolgenden Ständerwick- ' lungen "ie Einstellage des Rotors.
4. 4· Elektromagnetsystemanordnung in der Verwendung als Schrittmotor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von zwei gleichartigen, die gleiche Anzahl von Ständerwicklungen (6,7,8,9) und Rotorpolen aufweisenden Schrittmotoreinzelsystemen mit phasenstarr gekuppelten Rotoren (10) und durch gleichzeitige Ansteuerung von in Drehrichtung der Rotoren um eine Polbreite bezüglich der

   VPA 9/240/1033 -12-

   VPA 9/240/1064

   209852/0355

   Phasenlage der Pole der "beiden Rotoren versetzt angeordneten Ständerwicklungen (6,7) der Schrittmotoreinzelsysteme.
5. 5. Elektromagnetsystemanordnung in Verwendung als Schrittmotor nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch die Anordnung der Standerwieklungen in gleichen Abständen und durch fortlaufende Zusammenschaltung zweier aufeinanderfolgender Wicklungen.
6. 6. Elektromagnetsystemanordnung in der "Verwendung als Schrittmotor nach den Ansprüchen 3 Isis 5, dadurch gekennz ei c h η e t, daß die Breite der Rotorpole und die Breite ' der Pole der Ständerwicklungen gleich sind der Schrittbreite des Sehrittmotors, welche resultiert als der aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Anzahl der Statorpole und der Rotorpole sich ergebende Teil einer ganzen Umdrehung des Rotors.

   VPA 9/240/1033
   VPA 9/2 Ί-0/1064

   209852/0355