DE2129908C3 - Elektromagnetsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektromagnetsyitem, insbesondere Schrittmotor, bestehend aus zwei nacheinander angeordneten, voneinander magnetisch getrennten Magneteinzelsystemen mit Erregerwicklungen und mit zwei miteinander fest verbundenen Ankern. Ein derartiges Elektromagnetsystem ist beispielsweise in der Verwendung als Schrittmotor aus der CH-PS 398 793 bekannt.

Eine besondere Variante des Magnetsystems, auf welches sich die Erfindung bezieht, ist ein sogenannter Schrittmotor. Sowohl bei Schrittmotoren als auch bei Tauchankermagneten wird der Magnelanker in der Regel nur durch ein erzeugtes Magnetfeld in einer stabilen Einstellage gehalten, im Gegensatz zu Klappankermagneten, bei denen der Klappanker durch das Feld des Elektromagneten an einen Anschlag - beispielsweise an den einen Magnetpol - herangezogen wird und dort in der stabilen Lage anliegt. Wird bei Klappankermagneten der Magnetanker ungedämpft in Richtung auf den Anschlag angezogen, so treten beim Aufschlag des Magnetankers auf diesen Anschlag Prellschwingungen auf. Ähnliche Schwingungen treten auch auf, wenn bei einem Tauchankermagnet oder bei einem Schrittmotor der Anker in eine Einstellage bewegt wird, mit der Ausnahme, daß der Anker nicht gegen einen festen Anschlag schlägt und sofort wieder zurückgeworfen wird, sondern daß dieser Anker über die zu erzielende 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 Einstellbewegungen erzielten Zeitgewinne werden durch das am Ende der Einstellbewegung auftretende Einpendeln in die Einstellage somit stark reduziert, wenn nicht gar aufgehoben.

Es sind Schrittmotore bekanntgeworden (DT-OS 1 613 370 und CH-PS 398 793), welche zwei mechanisch miteinander über ihre Welle gekoppelte Schrittmotor einzelsysteme beinhalten. Die beiden Einzelsysteme ha ben jeweils den gleichen Aufbau, d.h. sie haben die gleiche Anzahl und Anordnung von Statorpolen und Rotorpolen. Wenn bei dem einen Einzelsystem die Rotorpole den Statorpolen gegenüberstehen, so stehen die Rotorpole bei dem anderen Einzelsystem jeweils zwischen den Statorpolen. Durch diese Maßnahme wird die Schrittzahl der gesamten Schrittmotoranordnung verdoppelt. Eine Verdoppelung der Schrittzah! bei einem einfachen Schrittmotor würde gegenüber der Doppelausführung zu einem bedeutend größeren Be wegungsvolumen und zu einer weitaus vergrößerten Trägheitsmasse dos Rotors führen. Besondere Maßnahmen zur Dämpfung der Rotorbewegung bei Erzielung der Sollstellung sind bei diesen Anordnungen nicht vor genommen.

Darüber hinaus ist aber ein Schrittmotor bekannt (DT-AS 1 141 017), bei dem eine derartige Maßnahme getroffen wurde. Zum Dämpfen der Einpendelschwingungen ist bei diesem Schrittmotor ein mechanischer Nocken vorgesehen, welcher mit einer Rastrolle zusammenwirkend eine Rastfunktion ausübt. Die Rastrolle ist auf einem Schwenkhebel angeordnet, welcher über ein Federelement mit einem Elektromagneten zusammenarbeitet. Der mechanische Aufwand für die Dämpfung der Einpendelbewegung des Rotors in die Sollstellung ist erheblich.

Für Schrittmotore ist eine Anordnung bekanntgeworden (DT-OS 1 613 333), durch welche ein übermäßiges Überschwingen des Magnetankers um die Einstellage dadurch verhindert wird, daß die Reihe der Motor Speisestromimpulse vor dem Erreichen der erwünsch ten Haltestellung unterbrochen wird und daß nach dieser Unterbrechung erst ein Haltestromimpuls dem Motor zugeführt wird. Dadurch wird der Magnetankei durch die von den Motorpolen ausgeübte Bremskrafi und durch zu überwindende Reibungskräfte vor Erreichen der Endstellung abgebremst, so daß der Halte stromimpuls den Magnetanker mit geringeren Schwingungsamplituden in die erwünschte Einstellung einstellt. Dieses Verfahren zum Einstellen des Ankers eines Schrittmotors if.t einerseits unvollkommen unc

mdererseits aus steuerungstechnischen Gründen auf wendig- Unvollkommen ist das Verfahren deshalb, da fine eigentliche Dämpfung der Ankerbewegung in die Ruhestellung nicht stattfindet, sondern lediglich durch Unterbrechung der Antriebsenergie die Geschwindig-Ifeit des Magnetankers vor Erreichen der Einstellung herabgemindert wird. Dabei i : jedoch immer darauf abzustellen, welche Bewegungsenergie der Anker des Schrittmotors bereits erreicht hat, um für die Abbremsung des Ankers durch die von den Motorpolen ausge-"ebte Bremskraft genügend Zeit einzuräumen. Gerade bei sich selbst steuernden Schrittmotoren wird bis zur Erreichung der endgültigen Einstellage insbesondere in Abhängigkeit von den zu 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 uerücksichtigen. All diese Faktoren sind von einer aufwendigen Steuereinrichiung zu berücksichtigen und auszuwerten, um eine Unterbrechung der zugeführten Einstellenergie rechtzeitig zu gewährleisten.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Magnetsysternanordnung bereitzustellen, bei der allein durch ein Magnetfeld ein Magnetanker in eine stabile Lage einstellbar ist, welches von sich aus ohne von außen gesteuerte Maßnahmen eine wirksame Dämpfung des in die Ruhelage gelangenden Magnetankers gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektromagnetsystem der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Erregerwicklungen der beiden Magneteinzelsysteme zueinander parallel geschaltet sind und daß der die Erregerwicklung durchfließende Erregerstrom um die Größe des durch die Drehung der Anker verursachten Gegeninduktionsstromes geringer ist als ein eine Sättigung der Magneteinzelsysteme bewirkender Strom.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Magnetsystems und die entsprechende Beaufschlagung mit Erregerstrom wird der Magnetanker sich jeweils zwischen die beiden Pole der beiden Magneteinzelsysteme einstellen, wobei die Einzelmagm systeme in der Einstellage entgegengesetzt auf da. Anker einwirken. Während des Einstellvorganges wirken zuallererst beide Magneteinzelsysteme gleichermaßen auf den Magnetanker. Verläßt der Magnetanker während des Einstellvorganges die erste in der Anzugrichtung liegende Erregerspule und gelangt nunmehr in den Bereich der dahinter angeordneten Erregerspule, um sich zwischen den Polen dieser beiden Erregerspulen einzustellen, 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. Ohne eine zusätzliche mechanische Rast wird also lediglich durch entsprechende vorteilhafte Ausgestaltung und Ansteuerung erfindungsgemäß die gewünschte Rastung erreicht.

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

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

Eine optimale Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Elektromagnetsystems als Schrittmotor wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung dadurch erreicht, daß die Breite der Rotorpole und die Breite der Pole der Ständerwicklungen der Schrittbreite des Schrittmotors gleich sind. Die Schrittbreite von Schrittmotoren resultiert bekanntlich aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen des sich aus der Anzahl der Statorpole und der Rotorpole ergebenden Teils einer ganzen Umdrehung des Rotors.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Elektromagnetsystems sind im einzelnen an Hand der Zeichnung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema eines gedämpften Tauchanker-Elektromagnetsystems,

F i g. 2 ein Diagramm, aus welchem die auf den Magnetanker nach F i g. 1 wirkenden Kräfte je nach der Stellung dieses Magnetankers bezüglich der beiden Elektromagneteinzelsysterne zu entnehmen sind,

F i g. 3 in vereinfachter Darstellung den Aufbau eines aus zwei Systemen zusammengebauten Schrittmotors,

F i g. 4 ein Diagramm des Bewegungsveriaufs bei ungedämpftem Schrittmotor.

F i g. 5 ein Diagramm des Bewegungsverlaufs bei gedämpftem Schrittmotor.

Das nach F i g. 1 aufgebaute, gedämpfte Tauchankermagnetsystem hat zwei parallel arbeitende Magnetjoche 1 und 2 mit zwei parallel geschalteten Erregerwicklungen 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 Ausgangslage. Beim Einschalten eines Stromes / wirken zunächst die beiden Einzelmagnetsysteme in gleicher Richtung auf den Anker 5 ein. Ihre Kräfte addieren sich, bis der Magnetkern 5 zwischen den Polen des Magnetjoches 1 angelangt ist. Von dieser Stellung an wirkt das Magneteinzelsystem 1, 3 dem Magneteinzelsystem 2, 4 entgegen, bis in der strichpunktiert gezeichneten Stellung des Ankers 5, also der Arbeitsstellung, die von den beiden Einzelmagnetsystemen auf den Magnetanker 5 entgegengesetzt wirkenden Kräfte gleich groß sind, so daß der Magnetanker zur Ruhe kommt.

In der senkrechten Koordinate des Diagramms nach F i g. 2 sind die auf den Magnetanker 5 wirkender Kräfte P der beider. Einzelmagnetsysteme getrennt und aufaddiert wirkend dargestellt, während in der waage rechten Koordinate die Stellung des Ankers 5 zu der beiden Magneteinzeisystemen aufgetragen ist. In dei strichpunktierten Lage A steht der Elektromagne genau zwischen den Polen des Magnetjoches 1, in de strichpunktiert dargestellten Lage B zwischen den bei den Polen de« Magnetjoches 2 und in der strichpunk tiert dargestellten Lage C genau zwischen den beidei Stellungen A und B. Die Kurven 1 und Il geben dl· Kräfteverhältnisse wieder, welche durch die beidei Magneteinzelsysteme 1, 3 bzw. 2, 4 ohne gegenseitig

Beeinflussung auf den Magnetanker 5 ausgeübt werden. Die Kurve III spiegelt eine einfache Addierung der Kräfte nach der Kurve I und der Kurve Il wieder und zeigt, daß ohne eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Magneteinzelsysteme rückstellende Kräfte auf den Magnetanker erst einwirken, wenn dieser die zu erzielende Mittelstellung Cbereits überschritten hat.

Bei der Anordnung gemäß der F i g. 1 treten jedoch demgegenüber günstigere Kräfteverhältnisse zur Abbremsung des Magnetankers beim Einlaufen in die Arbeitsstellung C auf. Bewegt sich nämlich der Anker 5 in diese Sollstellung, so wird zunächst entsprechend der Flußerhöhung in den beiden Erregerwicklungen 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 schwächer, während er im Magnetjoch 2 zunimmt. In der Erregerwicklung 3 wird jetzt eine Spannung induziert die die gleiche Richtung wie die Betriebsspannung hat während sie in der Erregerwicklung 4 entgegengesetzt ist. Da beide Erregerwicklungen elektrisch parallel geschaltet sind, fließt ein Ausgleichsstrom i, der die Durchflutung in der Erregerwicklung 3 verstärkt und in der Erregerwicklung 4 im gleichen Maße schwächt Die Bremskraft des Magneteinzelsystems 1. 3 wird dadurch wesentlich größer, was sich in der Kurve la-1 ft widerspiegelt während die Antriebskraft des Magneteinzelsystems 2, 4 geschwächt wird, wie die Kurve Ha-Hft zeigt Dies hat zur Folge, daß sich der Nulldurchgang der Summenkurve HIa erheblich nach links verschiebt und die Bremswirkung schon vor Erreichen der Endstellung einsetzt. In den beiden Erregerwicklungen wird zusätzlich die durch den Ausgleichsstrom erzeugte Energie in Wärme umgesetzt Sie wird von der kinetischen Energie des Ankers geliefert und ist proportional dem Quadrat der Momentangeschwindigkeit 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 UIa nach Stellung Q, weil die Antriebskraft des Magneteinzelsystems 2, 4 rasch abnimmt (Kurve Ha), während die Bremskraft des Magneteinzelsystems 1, 3 nahezu konstant bleibt (Kurve Ia).

Bei der nun einsetzenden Rückwärtsbewegung des Ankers steigt die Bremskraft des Magneteinzelsystems 2, 4 rasch an. während die Antriebskraft des Magneteinzelsystems 1,3 nahezu konstant ist Die Ankerrückwirkung ist wirksam, solange der Anker in Bewegung ist Dies wirkt sich so aus, daß die Kraft des Magneteinzelsystems 2,4 nach der Kurve 116 und die des Magneteinzelsystems 1,3 nach der Kurve \b verläuft und sich ein resultierender Kraftverlauf gemäß Kurve Ulf» 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 abgebremst wird und in seine Endstelhjng einläuft

F i g. 3 zeigt einen Schrittmotor mit einem Schrittwinkel von 45". Dieser Schrittmotor ist aus zwei in zwei Ebenen angeordneten Schrittmotoreinzelsystemen aufgebaut und hat insgesamt vier mit Statorwick Isngen versehene Pole 6,7,8,9, die auf die zwei hinter einanderliegenden vierpoligen Ständerpakete verteilt sind. Die Pole 6,8 sind in der vorderen, die Pole 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 Statorwicklungen der Pole 8, 9 sind der Übersicht wegen nicht dargestellt.

Der Motor könnte in bekannter Weise in Bewegung gesetzt werden, indem die Statorwicklungen der Reihe nach einzeln erregt werden. Beim Anhalten treten dann die in Fig.4 gezeigten starken Pendelschwingungen auf, bis der Rotor im Feld des zuletzt erregten Poles

ίο zur Ruhe kommt wobei φ der Drehwinkel des Rotors und mit / die Zeit aufgetragen ist. Die übereinander angeordneten Schwingungslinien geben die Endphasen von verschieden großen Einstellbewegungen wieder, welche nach einer bestimmten Vielzahl von direkt aufeinanderfolgenden Schritten erreicht werden.

Werden zwei in der Reihenfolge benachbarte Statorwicklungen parallel geschaltet und gleichzeitig erregt, z. B. die beiden Statorwicklungen der Pole 6 und 7, so stellt sich der Rotor 10 in die in der F i g. 3 gezeigten Ruhestellung ein, in welcher die Kräfte der Pole 6 und 7 auf die Pole des Rotors 10 im Gleichgewicht sind. Durch Abschalten der Statorwicklungen des Poles 6 und gleichzeitiges Zuschalten der Wicklung des Poles 8 dreht sich der Rotor um 45° weiter. Für den nächsten Drehschritt werden die Statorwicklungen der Pole 8 und 9 erregt. Das Diagramm nach F i g. 5 zeigt die durch diese Anordnung erzielbare Einstellbewegung in die jeweiligen Ruhelagen, wobei das verbesserte Verhalten gegenüber dem Verhalten nach F i g. 4 deutlich ersichtlich ist.

Wie bei dem beschriebenen Tauchankermagneten wird dieses Verhalten dadurch erreicht, daß beim Abbremsen in der bremsenden Statorwicklung infolge der Ankerrückwirkung eine Spannung induziert wird, die

die gleiche Richtung wie die Betriebsspannung hat. während die induzierte Spannung in der antreibenden Statorwicklung der Betriebsspannung entgegengesetzt ist Da beide Statorwicklungen parallel geschaltet sind, fließt ein kräftiger Ausgleichsstrom, der die Kraft der bremsenden Statorwicklung verstärkt und die Kraft der antreibenden Statorwicklung schwächt, so daß das Motordrehmoment schon vor Erreichen der Sollstellung stark abgebremst wird. In den beiden angeschalteten Statorwicklungen wird beim Bremsen zusätzlich elektrische Energie in Wärme umgesetzt, die von der kinetischen Energie des Rotors geliefert wird. Der Motor wird somit geschwindigkeitsabhängig abgebremst und ebenso gedämpft wie der zuvor beschriebene Tauchankermagnet

Ist der Motor 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 Lastmomeni einstellt Dementsprechend muß der Motor zum Anhalten gegebenenfalls über mehrere Schritte verzögert werden. Dies kann dadurch geschehen, daß z. B.

der vorletzte oder drittletzte Umschaltetakt unterdrückt wird Das Drehfeld des Stators bleibt dabei ge genuber dem sich weiterdrehenden Rotor zurück und bremst dadurch vorab den Rotor des Motors.

Die beschriebene Anordnung ist bei Schrittmotoren mit vier und mehr Statorwicklungen anwendbar. Bei Schrittmotoren üblicher Bauart mit nur drei Statorwicklungen ist das Parallelschalten zweier Statorwick lungcn während der Antrieb«.phase des Motors wenig

sinnvoll, da sich dabei die Magnetkräfte teilweise entgegenwirken und den Wirkungsgrad des Motors herabsetzen. Während des Bremsens und in der Anhaltestellung hat das gleichzeitige Erregen zweier Statorwicklungen auch hier den gewünschten Effekt.
Die Voraussetzung für die Wirksamkeit der beschriebenen Dämpfung ist, daß die beiden jeweils pars schalteten Wicklungen zwei voneinander unabh Magneteinzelsysleme bilden, in deren Wick durch die Anker- bzw. Rotorbewegung in der Nä Anhaltestellung zwei entgegengesetzte Spannun] duziert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetsystem, insbesondere Schrittmotor, bestehend aus zwei nacheinander angeordneten, voneinander magnetisch getrennten Magneteinzelsystemen mit Erregerwicklungen und mit itwei miteinander fest verbundenen Ankern, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen (3, 4; Statorwicklungen der Pole 6, 7. 8, 9) der beiden Magneteinzelsysteme zueinander parallel geschaltet sind und daß der die Erregerwicklung durchfließende Erregerstrom um die Größe des durch die Drehung der Anker verursachten Gegeninduktionsstromes geringer ist als ein eine Sättigung der Magneteinzelsysteme bewirkender Strom.

2. Elektromagnetsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung der gleichnamigen Pole der beiden Magneteinzelsysteme (i, 3; 2,4) in unmittelbarer Nachbarschaft und durch die Verwendung eines gemeinsamen Magnetankers (5) (Fig. 1).

3. Elektromagnetsystem in der Verwendung als Schrittmotor nach Anspruch 2, bei dem die Magneteinzelsysteme mit den Erregerwicklungen durch Schnttmotoreinzelsysteme mit auf Polen angeordneten Statorwicklungen und der Magnetanker durch einen Rotor gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Einstellage jeweils benachbarte Statorwicklungen ein und desselben Stators parallelschaltbar sind.

4. Elektromagnetsystem in der Verwendung als Schrittmotor nach Anspruch 1, bei dem die Magneteinzeisysteme mit den Erregerwicklungen durch Schnttmotoreinzelsysteme mit auf Polen angeordrieten Statorwicklungen und die Magnetanker durch Rotoren gebildet sind, die gegeneinander bezüglich ihrer Lage zu ihren Statorpolen versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Einstellage jeweils die Statorwicklungen der in Drehrichtung der zwei Rotoren um eine Polbreite bezüglich der Phasenlage der Rotorpole versetzt angeordneten Pole (6, 7) der beiden Statoren parallelschaltbar sind (F i g. 3).

5. Elektromagnetsystem in der Verwendung als Schrittmotor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rotorpole und die Breite der Pole der Statorwicklungen gleich sind der Schrittbreite des Schrittmotors.

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