DE2254897B2 - Einphasiger Synchronmotor für Schrittschaltbetrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen einphasigen Synchronmotor für Schrittschaltbetrieb, mit einem einen Stator und einen Rotor aufweisenden Hauptmagnetsystem, in dem eine Antriebswicklung ein vom Erregerstrom abhängiges Drehmoment erzeugt, bei dem der Rotor einen dünnwandigen zylindrischen Teil aus hartmagnetischem Material aufweist, der radial in solcher Weise magnetisiert ist, daß er N Paare abwechselnd positiver und negativer Pole besitzt, und bei dem der Stator zwei Polstücke aufweist, die durch den in der Antriebswicklung fließenden Erregerstrom positiv bzw. negativ polarisierbar sind und einen den zylindrischen Teil des Rotors aufnehmenden Luftspalt bilden, wobei wenigstens eines dieser Polstücke N Zähne aufweist, sowie mit einem stromunabhängigen Hilfsmagnetsystem, das einen feststehenden, einer τ> ringförmigen Zone des genannten zylindrischen Rotorteils gegenüberliegenden, magnetisch wirksamen Teil zur Erzeugung eines sich mit der Winkelstellung des Rotors periodisch ändernden Restdrehmoments aufweist. Ein derartiger Synchronmotor ist aus der US-PS 39 845 bekannt.

Bei diesem Motor besteht der feststehende Teil des Hilfsmagnetsystems aus weichmagnetischem Material und hat die Form eines mit einer radial nach innen gerichteten Zahnung versehenen Ringes, wobei die b^r> Anzahl Zähne dieses Ringes 2Λ/ beträgt. Dieser feststehende, ringförmige Teil ist koaxial zu den Polsiiicken des Stators angeordnet und wirkt mit einer gegenüberliegenden magnetisierten Zone des Rotors zur Bildung des Hilfsmagneisystems zusammen.

Eine solche Anordnung erschwert einerseits die Herstellung der Motoren, insbesondere im Fall eines innenverzahnten Teils des Hilfsmagnetsystems, sie besitzt andererseits auch entscheidende Nachteile im Hinblick auf die Drehmoment-Eigenschaften des Motors, wie im folgenden eingehend erklärt wird. Für den Betrieb mit Antriebsimpulsen gleichförmiger Polarität ist es zudem notwendig, eine zusätzliche Magnetisierung auf dem Rotor vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Synchronmotor der eingangs genannten Art in seiner Bauweise zu vereinfachen, seine Drehmoment-Eigenschaften zu verbessern und eine rationellere Herstellung des Motors in größeren Serien zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist nach der Erfindung darin zu sehen, daß der feststehende Teil des Hilfsmagnetsystems ein in der Umfangsrichtung des Rotors /V Paare abwechselnd positiver und negativer Pole besitzender Hilfsmagnet ist und daß die Pole des Hilfsmagneten um einen bestimmten Winkel gegenüber den Polen des Rotors in dessen Ruhestellung versetzt sind.

Der Hilfsmagnet ist vorzugsweise eine dünne, radial magnetisierte, ringförmige Magnetschicht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels ergänzend beschrieben.

Fig. 1 ist ein Radialschnitt eines Synchronmotors nach der Erfindung;

Fig.2 ist eine graphische Darstellung der Drehmomente des Motors in Abhängigkeit von der Winkelstellung Θ des Rotors.

Der in F i g. 1 dargestellte Motor gehört dem allgemeinen Typ der in der US-PS 35 39 845 beschriebenen Motoren an. Er umfaßt eine Wicklung 1, die an eine Anschlußklemme 2 angeschlossen ist, die durch eine Grundplatte 3 durchtritt und von dieser durch einen Isolierstein 3a isoliert ist. An dieser Grundplatte sitzt ein Rohrstück 4, welches den Kern der Wicklung bildet, sowie ein Ring 5 mit glatter Innenfläche, der in einen Deckel 5a übergeht, so daß das Ganze einen Käfig bildet. Der Ring 5 weist keine Zahnung auf.

Ein Polstück 7, welches eine Zahnung 7a mit N Zähnen aufweist, ist mit einer Buchse 6 verbunden, die im Innern des Rohrstücks 4 angeordnet ist.

Der Rotor 9 ist glockenförmig ausgebildet und sitzt auf einer Welle 10, die in Lagern 10a und 106 im Stator gelagert ist.

Der glockenförmige Rotor 9 ist wenigstens in einem dünnen zylindrischen Bereich 8 aus hartmagnetischem Material und radial derart magnetisiert, daß er N Polpaare mit abwechselnd positiver und negativer Polarität in Umfangsrichtung aufweist.

Der zylindrische Bereich 8 setzt sich nach unten über die Zahnung 7a hinaus in einen überstehenden Bereich 8a fort, der außerhalb der Zahnung 7a liegt und gegenüber einem dünnen Hilfsmagneten Sb von geringer Höhe, der an der Innenwand des Ringes 5 befestigt ist und also ringförmig und konzentrisch zu dem überstehenden Bereich 8a liegt.

Dieser Hilfsmagnet Sb ist als dünne, radial magnetisierte Schicht mit N Paaren von in Umfangsrichtung abwechselnd positiven und negativen Polen ausgebildet.

F i g. 2 zeigt den Verlauf der verschiedenen im Motor auftretenden Drehmomente in Abhängigkeit von der Winkelstellung (~) des Rotors. Das Hauptmagnctsystcm des Motors, in dem die den Stator bildenden Teile —

Ring 5 und Zahnung Ta des Polstiickes 7 — mit dem Bereich 8 des Rotors 9 zusammenwirken, erzeugt beim Durchgang eines Erregerstroms durch die Wicklung 1 ein Drehmoment Ci, welches sich sinusförmig mit der Periode 2 π/Ν ändert. Ferner erzeugt das Hauptmagnetsystem in Abwesenheit eines Erregerstromes eine Restdrehmoment-Komponente C02, welche sich ebenfalls sinusförmig, aber mit der Periode π/Ν ändert. Die Stellen des Nulldurchganges von Ci decken sich beispielsweise mit den unstabilen Gleichgewichtsstellungen im Verlauf von C02. Das Hilfsmagnetsystem liefert ein zusätzliches Restdrehmoment Ci 1, das sich beispielsweise wie in F i g. 2 dargestellt mit der Winkelstellung des Rotors ändert und dessen Grundwelle die gleiche Frequenz wie das stromabhängige Moment Ci besitzt.

Durch geeignete Einsteilung der Winkellage des Hilfsmagneten in bezug auf die Grundplatte 3 kann man die Phase der Grundkomponente von C01 gegenüber Ci und C02 verschieben. Das gesamte Restdrehmoment C₀ = Coi + C02 ist in F i g. 2 gestrichelt dargestellt. Dieses Restdrehmoment ist in den Stellungen Si, Si... des Rotors, welche den stabilen Gleichgewichtsstellungen bei Abwesenheit eines Erregerstroms entsprechen, gleich dem konstanten Nutzdrehmoment C welches der Motor liefern soll.

Im Punkt S, ist Co+C₁, gleich Null, so daß das Drehmoment Ci den Rotor in Drehung versetzt und dieser eine bestimmte kinetische Energie erreicht. In der Stellung Γι, in der Co ein Maximum erreicht, wirkt Co — Cu bremsend, der Rotor hat jedoch eine genügende Energie, um den Rest des Schrittes ohne Stromeinwirkung zurückzulegen. Jenseits der Stellung U\ wird Co größer als C,„ wodurch der Rotor den nächsten Punkt stabilen Gleichgewichts S2 leicht ohne Stromeinwirkung erreichen kann.

Ein neuer Stromimpuls zwischen S2 und Ti bewirkt in analoger Weise ein neuerliches Weiterschalten des Rotors um einen Schritt.

F i g. 3 zeigt zum Vergleich die Drehmomentverhältnisse bei der bekannten Anordnung nach Fig. 6 und 7 der USA-Patentschrift 35 39 845. Das durch den Erregerstrom erzeugte Drehmoment ist in Analogie zu F i g. 2 mit C] bezeichnet. Der Rotor dieser bekannten Anordnung besitzt neben der die Polpaare bildenden wechselnden Magnetisierung eine gleichförmige Magnetisierungskomponente (Spalte 6, Zeilr ^7—60), welche in Abwesenheit eines Erregerstromes im Zusammenwirken mit den Stator-Polstücken des Hauptmagnetsystems eine Restdrehmomentkomponente gleicher Frequenz wie C'i erzeugt und deshalb zum Vergleich mit Fig. 2 hier COi genannt wird. Fs handelt sich dabei jedoch um die Wirkung einer zusätzlichen Magnetisierung im Hauptmagnetsystem. Die entsprechende Komponente COi ist in ihrer Phase unveränderlich gegenüber CV

Die wechselnde Magnetisierung des Rotors (unabhängig von der zusätzlichen gleichförmigen Magnetisierung betrachtet) erzeugt im Hauptmagnetsystem eine Restdrehmomenikompoiu-nte C'n.> //.,„,„. die der Komponente G>_> von Fig. 2 entspricht und in Frequenz und Phase wie diese verläuft. Sie ist zur Vereinfachung der Darstellung in F i g. 1 nicht getrennt gezeigt.

Um nun bei der bekannten Anordnung die notwendige Phasenverschiebung des gesamten Residrchnioincnls C₁ zu erzielen, wird durch ein Hilfsmagneisystem, bei dem die Rotorpole mit einem Zahnkranz doppelter Zähnezahl wie die Stato^rzahnung des

ui Hauptmagnetsystems zusammenwirken, eine Restdrehmomentkomponente C'miiiih erzeugt, die phasenverschoben in bezug auf Cu>//.,«/x ist und ebenfalls die doppelte Frequenz wie Ci besitzt. Die Resultierende dieser beiden Komponenten gleicher Frequenz ergibt "i die in F i g. 3 dargestellte Komponente

C\\l = C'0.1 /f.,u;>, + C02 Ullis ■

Die damit erzielbaren Ergebnisse sind jedoch

unbefriedigend. Je weiter nämlich C'02 in bezug auf C'»\ verschoben wird, desto tiefer wird die Einsattelung im Gesamtrestdrehmoment CO und damit auch die obere Grenze C₁,,,,,,, für das Nutzdrehmoment. Es läßt sich zeigen, daß der Optimalfall bei der bekannten Anordnung dann eintritt, wenn C₀₂ um ,-τ/2 gegenüber

2^r> Coi verschoben ist und die Amplitude

beträgt.

jo Das ist der in Fig. 3 dargestellte Fall. Daraus ist ersichtlich, daß das Anfangsdrehmoment C\ am Beginn eines Schrittes (Punkt S'i) relativ klein ist, während C₁, wie erwähnt begrenzt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist die Kompo-

S5 nente Coi nicht zwangsläufig phasengleich mit Ci, so daß der Punkt stabilen Gleichgewichts in eine Lage Si verschoben werden kann, wo Ci bereits einen großen Wert besitzt. Die vom Hauptmagnetsystem gelieferte Restdrehmomentkomponente C02 braucht keine bestimmte Größe zu besitzen, da sie nicht zur Phasenverschiebung des gesamten Restdrehmoments verwendet wird, und sie kann daher durch konstruktive Maßnahmen klein gehalten werden. Dies erlaubt es eine bessere Gleichmäßigkeit der Motorkennwerte zu erzielen.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor ist zudem, wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, das Hilfsmagnetsystem, welches die Komponente Coi erzeugt, praktisch in magnetischer Hinsicht vom Hauptmagnetsystem getrennt. Dies ist ein großer Vorteil bei der Fertigung größerer Serien von Motoren, bei denen es sich in der Praxis als schwierig erweist, genau gleiche Magnetisierungsbedingungen zu erreichen.

Ferner ist beim erfindungsgemäßen Motor das Drehmoment Ci in den Stromflußintervallen Si 7Ί, S2T2... bereits nahe seinem Maximum, wodurch das vom Motor gelieferte Drehmoment sehr hoch ist. Das Anfangsdrehmoment in den Punkten stabilen Gleichgewichts (Si, S;...) hat ebenfalls einen entsprechend hohen Wert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

10 Patemansprüche:

1. Einphasiger Synchronmotor für Schrittschaltbetrieb, mit einem einen Stator und einen Rotor aufweisenden Hauptmagnetsystem, in dem eine Antriebswicklung ein vom Erregerstrom abhängiges Drehmoment erzeugt, bei dem der Rotor einen dünnwandigen zylindrischen Teil aus hartmagnetischem Material aufweist, der radial in solcher Weise magnetisiert ist, daß er N Paare abwechselnd positiver und negativer Pole in Umfangsrichtung besitzt, und bei dem der Stator zwei Polstücke aufweist, die durch den in der Antriebswicklung fließenden Erregerstrom positiv bzw. negativ polari- is sierbar sind und einen den zylindrischen Teil des Rotors aufnehmenden Luftspalt bilden, wobei wenigstens eines dieser Polstücke N Zähne aufweist, sowie mit einem stromunabhängigen Hilfsmagnetsystem, das einen feststehenden, einer ringförmigen Zone des zylindrischen Rotorteils gegenüberliegenden, magnetisch wirksamen Teil zur Erzeugung eines sich mit der Winkelstellung des Rotors periodisch ändernden Restdrehmoments aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende Teil des Hilfsmagnetsytems ein in Umfangsrichtung des Rotors (9) N Paare abwechselnd positiver und negativer Pole besitzender Hilfsmagnet (86,1 ist und daß die Pole des Hilfsmagneten (Sb) um einen bestimmten Winkel gegenüber den Polen jo des Rotors (9) in dessen Ruhestellung versetzt sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsmagnet durch eine dünne, radial magnetisierte, ringförmige Magnetschicht gebildet ist. J5