DE2149473A1 - Steuerschaltung fuer fuenfstatorschrittmotoren mit permanent-magnetrotoren - Google Patents

Description

• Steuerschaltung für Fünf stator-S chrittmotoren mit Permanent-Magnet-Rotoren Bekannt sind Fünfstator-Schrittmotoren, die als sogenannte variable Reluktanzmotoren mit Weicheisenrotoren ausgerüstet werden.
• Bei diesen Schrittmotoren benötigt man für jeden Stator eine Ringwicklung, die entweder ein- oder ausgeschaltet ist. Demnach muß der elektronische Steuerschalter aus fünf Endstufen bestehen. Bei einem Fünfstator-Schrittmotor mit Permanent-Magnet-Rotor müssen nach einem bestimmten Zyklus (fünf zurückgelegte Schritte) die Nordpole eines Stators zum Südpol und die Südpole zum Nordpol gemacht werden. Das heißt: Die Stromrichtung in der jeweils betroffenen Statorwicklung muß nach jeweils fünf Schritten gewendet werden.
• Diese Stromumkehr in jeder Wicklung kann bekannterweise entweder mit der sogenannten Gegentaktschaltung (Fig. 1) oder mit der H-Schaltung (Fig. 2) realisiert werden.
• Bei Verwendung der Gegentaktschaltung besteht eine Feld-Wicklung aus zwei Hälften, von denen nur eine jeweils eingeschaltet ist. Die thermische Ausnützung des Wickelraumes ist damit, wie bei jeder Gegentaktschaltung, schlecht.
• Die bei gleicher spezifischer Kupferbelastung erzielbare Leistung beträgt deshalb nur etwa die Hälfte der bei Vollwegschaltung erreichbaren Leistung. Außerdem ist die Motorwicklung sehr viel schwieriger herzustellen. Der Vorteil der Gegentaktschaltung besteht also im Wesentlichen darin, daß bei Fünfstator-Schrittmotoren nur fünf Umschalter benötigt werden.
• Bei Verwendung der lI-Scnaltung (Vollweg) besteht jede Statorwicklung aus nur einer Spule. Die thermische Ausnützung hat einen maximalen Wert und die Wicklung ist einfach herzustellen. Nachteilig ist jedoch, daß bei dieser Schaltung zehn Umschalter benötigt werden.
• Da die Kosten der Steuer-'lektronik für Schrittmotoren relativ hoch gegenüber denen fiir die Notoren sind, ist der Einsatz der lI-Schaltung selbst bei besserer Motorausnützung wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen.
• Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Schaltung für Fünfstator-S chrittmotoren mit Permanent-Iagnet-Rotoren mit der, gegenüber der Gegentaktschaltung etwa die doppelte Motorabgabeleistung der Gegentaktschaltung erzielt wird, ohne die Anzahl der Umschalter zu erhöhen.
• Gemäß Fig. 3 werden die Wicklungen der fünf Statoren im Fünfeck verschaltet (ähnlich der bekannten Dreieck-Schaltung bei Drehstrommotoren). Man erhält dann fünf Knotenpunkte, die jeweils an eine halbe lI-Schaltung aus Fig. 2 angeschlossen werden. Dadurch kann jeder Knotenpunkt nach einem bestimmten Zyklus an den Plus-Pol oder an den Minus-Pol der Spannungsquelle gelegt werden. Fiir einen definierten, am Umfang gleichmäßigen Schrittwinkel kann die erforderliche räumliche Verdrehung der Einzelstatoren oder Einzelrotoren innerhalb einer Polteilungtp zueinander sowohl # 1 = l/5Sp als auch #2=2/5#p betragen.
• Fig. 3 zeigt für beide Verdrehungswinkel #1 bzw.
• die der Erfindung entsprechende erforderliche Verschaltung der Wicklungen. Aus Fig. 4 ist die jeweilige Schalterstellung und aus Fig. 5 die jeweils auf einen Pol eines Stators bezogene Magnetisierungsrichtung bei den Schritten 1 bis 11 ersichtlich.
• Fig. 6 gibt für die drei aufeinander folgenden Schrittstellungen die Zuordnung der Rotor- und Statorpole an.
• (Die räumliche Verdrehung wurde hierbei im Stator angenommen.) Wie aus Fig. 3 und Fig. 5 ersichtlich, sind bei jedem Schritt vier Wicklungen vom Strom durchflossen, das heißt Vier Statoren erregt. Die fünfte Wicklung ist dabei jeweils entweder über den Plus-Pol oder über den Minus-Pol der Spannungsquelle kurzgeschlossen.
• Das erscheint bei vorliegender Erfindung gegenüber der Verwendung einer vollständigen 11-Schaltung zunächst als ein scheinbarer Nachteil. Geht man jedoch davon aus, daß die statischen Drehmoment-Kennlinien der einzelnen Statoren sinusförmigen Verlauf zeioen, so ergibt sich nach Fig. 7 bei Erregung von allen fünf Statoren für das charakteristische llaltemoment eines Motors #M (11) der 3,24fache Wert vom Ilaximalmoment des Einzelstators. Wenn dagegen vier Statoren erregt sind, erhält man nur den 3, 1 flachen Wert #M (12). Die Verringerung des Haltemomentes und damit die Verschlechterung des dynamischen Verhaltens beträgt etwa 5 %. Der Schrittwinkel und die Welligkeit des Betriebsdrehmomentes haben bei Erregung von vier Statoren gleichen Wert wie bei Erregung von fünf Statoren (siehe Fig. 7).
• Aufgrund der um etwa 20 % geringeren Aufnahmeleistung bei nur vier erregten Statoren erhält man jedoch einen um etwa 15 % höheren Wirkungsgrad und eine um etwa 20 % geringere Motorerwärmung. Da jedoch'bei Leistungsvergleichen die Motorerwärmung innerhalb einer Isolationsklasse den Bezugspunkt darstellt, kann die Leistung und damit das maximale flomen des Einzelstators um etwa 20 % bei nur vier erregten Statoren angehoben werden.
• Man erhält somit bei Verwendung der erfindungsgernäßen Schaltung ein um etwa 15 % höheres Haltemoment.
• Da die jeweils fünfte, nicht erregte Wicklung immer kurzgeschlossen ist, wirkt die in ihr während des Schrittbetriebes vom Permanent-agnet-Rotor induzierte EtiC dämpfend auf das Motorsystem. Bei höheren Schrittfrequenzen wird zwar dadurch das Betriebs drehmoment wieder etwas vermindert, der bei allen elektrischen Schrittmotoren relativ niedrige Dämpfungsgrad jedoch erhöht und somit unerwünschte Pendel schwingungen des Rotors vermindert.
• Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch die vorliegende erfindungsgemäße Schaltung für Fünfstator-Schrittmotoren mit Permanent-Magnet-Rotoren gegentiber den vergleichbaren bekannten Schaltungen unter Beibehaltung der Abgabeleistung und des Schrittwinkels das dynamische Verhalten des Motors verbessert und der Aufwand an mechanischen bzw. elektronischen Schaltmitteln stark verringert wird.
• Das Logikteil der Steuerschaltung (Fig. 8) kann erfindungsgemäß zweckmäßig aus einem Schieberegister mit fünf Flip-Flops und gekreuzter Rückführung bestehen.
• Die Vor- Rückwärts steuerung kann über Verknüpfungsglieder in Wired-And-Verschaltung erfolgen, wobei die für die Motorbewegung nicht benötigten Flip-Flop Stellungen durch eine Zusatzschaltung unterdrückt werden.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Steuerschaltung für einen Schrittmotor, bestehend aus fünf achsial nebeneinander angeordneten, mechanisch verbundenen Einzelstatoren, dadurch gekennzeichnet, daß Dauermagnet-Läufer zur Anwendung kommen, fünf nicht aufgeteilte Statorwicklungen 1 bis 5 zu einem geschlossenen Fünfeck mit den Isnotenpunlcten 6 bis lo verschaltet sind und nur fünf Umschalter benötigt werden.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die dabei entstehenden Knotenpunkte 6 bis lo mittels elektronischen oder mechanischen Schaltern dem erforderlichen Schaltzyklus entsprechend derart an den Plus- oder Minus-Pol einer Spannungsquelle gelegt werden, daß sich ein Schrittwikel von #0=1,5#p ergibt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei einer räumlichen Verdrehung der Einzelstatoren oder Rotoren zueinander um bP 1 = zu l/57p die Wicklungen in der Reihenfolge 1-2-3-4-5-1 miteinander verschaltet werden, und zwar derart, daß bei zwei der fiin- Xnotenpunkte nur die Wicklungsenden, bei zwei die Wicklungsanfänge und bei einem ein Ende mit dem Anfang der nächsten Wicklung verbunden sind.

4. Schaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei einer räumlichen Verdrehung der Einzelstatoren oder Rotoren zueinander um #2=2/5#p die Wicklungen in der Reihenfolge 1-4-2-5-3-1 miteinander verbunden werden und zwar derart, daß jeder Knotenpunkt jeweils ein Ende und einen Anfang zweier Wicklungen verbindet.

5. Schaltung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Bezeichnung der Wicklungen von 1 bis 5 entsprechend den Statoren oder Rotoren durchgeführt wird, die von einem Bezugspol ausgehend jeweils nacheinander eine Verschiebung von #1=1/5 oder von #2=2/5#p aufweisen, wobei die Wahl der Wicklung 1 willkürlich ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Schritt eine der fünf Wicklungen über den Plus-Pol oder den Ilinus-Pol der Spannungsquelle kurzgeschlossen ist, wobei der Kurzgeschlußzyklus für eine Wicklung fünf Schritte beträgt.

7. Schaltung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß zur sogenannten Schnellerregung jede der fiinf Wicklungen einen Serienwiderstand vor- oder nachgeschaltet bekommt, der- zwischen der jeweiligen Wicklung und dem dazugehörigen Knotenpunkt der Fünfeck-Schaltung liegt.

8. Schaltung nach A.asnruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß zur sogenannten Schnellerregung in die Zuleitungen von den gemeinsamen Schaltpolen zu den fünf Knotenpunkten je ein Widerstand eingeschaltet wird.

9. Schaltung nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Logikteil aus einem Schieberegister mit fünf Flip-Flops mit gekreuzter Rückführung besteht.

lo. Schaltung nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichneL, daß die Vor- Rückwärts-Steuerung über Verknüpfungsglieder mit Wired-And-Verschaltung erfolgt und daß die nicht zur Motorbewegung benötigten Stellungen durch eine Zusatz-Schaltung unterdrückt werden.

11. Schaltung nach Anspruch 1 bis lo dadurch gekennzeiclrnet, daß dieselbe auch bei Linear-Schrittmotoren, die aus fünf mechanisch gekoppelten Statorsystemen bestehen und den gleichen beschriebenen Schaltpulverlauf benötigen, angewandt werden kann.

12. Schaltung nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß alle vorstehenden Ansprüche in abgewandelter Form auch auf Motoren mit mehr als fünf Einzelstatoren Gültigkeit haben.

L e e r s e i t e