DE2342994A1

DE2342994A1 - Fuenf-phasen-schrittmotor

Info

Publication number: DE2342994A1
Application number: DE19732342994
Authority: DE
Inventors: Guenter Heine
Original assignee: GERHARD BERGER FABRIKATION ELE
Current assignee: GERHARD BERGER FABRIKATION ELE
Priority date: 1973-08-25
Filing date: 1973-08-25
Publication date: 1975-03-20
Also published as: US4000452A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mehrphasigen langsamlaufenden Synchronmotor vom Gleichpoltyp, der vorzugsweise zum Einsatz als Schrittmotor gedacht ist. Die wesentlichen Teile des Motors Fig.1 bestehen aus einem oder mehreren geschichteten Statorblechpaketen 1 mit ganz oder teilweise bewickelten ausgeprägten Statorhauptpolen 2, die ihrerseits am Arbeitsluftspalt 3 zwischen Stator 1 und dem Rotor 4 Fig.1 n+1 Statorpolzähne 5 aufweisen können. Der Rotor Fig.2 besteht aus einem in achsialer Richtung magnetisierten Dauermagnet 6 mit beiderseits angebrachten vielpoligen Polkappen 7 aus weichmagnetischem Material.

Gleichpolmotoren mit ähnlichem mechanischem Aufbau sind bereits bekannt und werden vielfach gebaut. Sie sind meistens als Zweiphasenmotoren mit acht Statorhauptpolen 2, acht Statorwicklungen 8, und fünf χ acht = vierzig Statorpolzähnen 5 und einem Dauermaanetrotor mit Z =5o Rotorpolzähnen aufgebaut. Diese Motoren besitzen jedoch technische Mangel, vor allem die Unstabilität bei Resonanzstellen und die verhältnismäßig kleine Betriebsschrittfrequenz.

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Um diese Mangel zu beseitigen, wurde vom gleichen Anmelder eine Erfindung P 22 35 068.3 angemeldet, die einen Schrittmotor für fünf Phasen beschreibt.

Die vorliegende Erfindung entstand aus dem in wirtschaftlicher Hinsicht angestrebten Wunsch, die vielseitigen, an Schrittmotore gestellten Aufgaben und Anforderungen mit möglichst wenigen Statorblechschnitten bzw. Motoraufbauten zu lösen, die Schrittwinkelgenauigkeit zu erhöhen und die Herstellungskosten bei gleichzeitig großer Typenauswahl zu senken.

Die in der obigen Patentanmeldung angegebene Beziehung für die Rotorzähnezahl Z_R=u(5n+4K4K'+3) wird beibehalten.

Der in der obigen Patentanmeldung gezeigte Statorblechschnitt mit zehn Statorhauptpolen Fig.1 hat zwischen den StatorhauDtpolen die Pollückenwinkel cC= T (K+o,6) und zwischen den beiden fünfphasigen Hauptpolgruppen u die PollücVenwinkel T₃(K'+o, 6).

Die Verbindung der Wicklungen und die Ansteuerung des erfindungsgemäßen Fünfphasen-Motors erfolgt normalerweise entsprechend der Schaltung Fig.5 (siehe auch PO 2 149 473). Bei dieser Schaltung bleibt immer ein Hauptpol je Polgruppe unerregt. Die Polaritätsänderung der zweimal fünf Statorhauptpole einer fünfphasigen Polgruppe zeigt für einen vollen Zyklus die Tabelle Fig.6. Die Verbindung der fünf Statorwicklungen für u=2 Polgruppen ist aus der Fig.7 zu ersehen. Die beiden Wicklungen je Phase können statt parallel auch in Reihe geschaltet werden.

Die Verbindung der Statorwicklung mit u=2, 4, 6 usw. und die Ansteuerung kann jedoch auch nach der erfindungsgemäßen Schaltung 5a erfolgen.

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Hierbei werden z.B. bei u=2 Polgruppen die Statorhauptpolwicklungen W_{1 9} bis W j. _ der Polgruppe VI bis X zu einem geschlossenen Fünfeck verbunden, die Wicklungen W_{1 1} bis W₅ .. der Statorhauptpole I bis V jedoch sternförmig von den Knotenpunkten zehn bis vierzehn aus mit den Schalterpolen S, bis S₅ verbunden.

Das Schritt- und Leistungsverhalten entspricht der Fünfeckschaltung nach Fig.5.

Die Verbindung der zehn Hauptpolwicklungen ist aus Fig.7a ersichtlich.

Genaue Messungen an Motoren, die mit Statorblechschnitten nach Fig.1 gebaut wurden, haben gezeigt, daß, bedingt durch unsymmetrische Streuflüsse (oC^/s), die einzelnen Schrittwirikel untereinander nicht völlig übereinstimmen.

Dies ist zwar bei großen betrieblich vorgegebenen Schrittzahlen oder bei normalen Toleranzen für den Schrittwirikel ohne Belang, kann jedoch bei kleinen Einzelschrittzahlen und stark eingeengten Toleranzbedingungen unter Umständen nicht mehr vertretbar sein.

Die hierzu geführten Überlegungen führten erfindungsgemäß zu den in Fig.3 und 4 dargestellten Statorblechschnitten, bei denen die Streuflüsse weitgehend symmetriert wurden und somit eine genügend hohe Schrittwinkelgenauigkeit gewährleisten.

Bei dem erfindungsgemäßen Statorblechschnitt Fig.3 werden die Pollückenwinkelo6=ß gemacht und dafür bei vier Statorhauptpolen in der Mitte die vier überzähligen Statorpolzähne weggelassen. Durch diese Maßnahme werden die magnetischen Streuverhältnisse zwischen den Hauptpolen symmetrisch und

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damit die Schrittwinkelgenauigkeit wie anqentrebt erhöht. Die Polzahnlücken 9 üben praktisch keinen Einfluß auf die Schrittwinkelnenauigkeit aus. Er gilt hierbei:

Zj₁=Su(n+K+l)=5o für u=2; n=3; K=I

Bei dem erfindungsgemäßen Statorblechnchnitt in Beispiel Fig.4 werden die Statorpolzahne 9 in einer Drehrichtung von der Statorpolzahnmitte aus seitlich versetzt, on Ende der Polzahngruppe, weggelassen, so daß wicdcrcCfp gcnacht wird. In diesem Falle entsteht jedoch die doppelte Anzahl von kleineren PollUckonwinkeln ρ und damit, wie die Versuche ergaben, ebenfalls genaue Schrittwinkel.

Es gilt hierbei:

Selbstverständlich können die überzähligen Statorpolsahne auch zwischen der Kitt? und dem Ende der Polr.ahngrupne weggelassen werden.

Ein vollkommener symmetrischer Statoraufbau ergibt sich, wenn die Bedingung

Zj₁=U(Sn+^) mit u * 1 und η "^ O erfüllt irt.

Bei allen anderen Rotorzähnezahlen Z^ IhBt rieh ein ganzzahliges Vielfaches dnr Rotorzahnteilung, das nicht durch fünf teilbar ist, nicht gleichmäßig über die Hauptpolgruppe verteilen.

Ein vollkommen symmetrischer Statorblechschnitt für einen FUnfphasenmotor wird in Fig.8 gezeigt. Es wird hierbei die Rotorzähnezahl

36 "»it n=2;K=K«»l

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Die Polaritatsänderuno der rwoimal fünf Hauntpole als Funktion der Schritte entspricht denen der Tabelle Fig.6.

Genau durchgeführte Unterruchunaen zoiaten, daü nnn die Statorzahntcilunn T «twas größer machen kann al» die Rotorpolteilung T_n, ohne daft pich dabei der Rotorrchrittwinkel ändert.

Dio Str.torznhnteilung T_e wird dabei für da* occebone Hei-

T,.«T_R(n«K-»o.6)/(n4K)<*l,2T_R

Die nach d^r obigen np^iehun?! b*T**»*ri;enr» 7ahnteilung bringt fertigung»;technische Vorteile, das erzeugte Prr-h"r>rsent wir'¹. nur etwas verringert, die Dämnfung jedoch erhöht. Grundsätzlich kann fcx?i allen Schnittaurführunaen nach vorab )>estir7nter Rotor=ahn*ahl ^L. dirt Stctort.ihntoilunc; T₅ erfindunang«—vift ?virchen

o,9 T_R und 1,1 (]n-»K4o,6V(n+KJ{ T_R

gewählt werden. Bedingung 1ei!och dabfi ist, da's die Mitten der Zahnbilder der hnu/^poie genau entsprechend der Gleichung

auseinanderstehen.

Verbindet r,.an die zehn Hauj.tpolwicklungen I-X entsprechend Fig.9 miteinander und legt die fünf so entstanrlenen Statorpolwicklungen W1-W5 über die zehn Wechselschalter S, - S_1C. an die Stromquelle E Fiq.lo, dann erhält man bei Betätigung der Schalter nach dem Schalteretellungsdiagramm Fig.11 für die zehn Hauptpole bei den Steuerschritten 1 -bis 2i "den in Tabelle Fig.12 gezeigten Polaritatszustand. Fig.13 stellt

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die Abwicklung von sechs Polon eines versinnbildlichten Motorn mit zehn Hauptoolen dar. Dazu ist die jewellirjc Rotorstellung gemäß der Polaritiitsr.ustandc von 12. hin 21. Schritt von Fin.11 dargestellt. Nan erkennt, daß Eich von Schritt zu Schritt der Rotor un l/2o T_R weiterbewegt. Jede zweite Stellung ist identisch nit einer Stellung der oben beschriebenen Aneteurrnehaltunrj nach Fiq.5, wo von Schritt r.u Schritt eine Drehung des Rotors von i/lo T_R erfolgt.

Kit den beiden echon in der dmite<-h<*n Patentennoldunq 22 35 o86.3 oezeioten Wiciclungfsverbin'iMngen Fig.5 und Flg.9 lesson pich in Fünfnharenbetrieb bei einen Hotoreufoau rslt ^^C5o T_R»7,2° und v«2 die Schrittwinkcl ^₅«7#2°/lo=o.72° und ^₉*7.2°/2o»o,35° erzielen. Kit der Ansteuerschaltung nach Fio.5 crhhlt man somit 5oo Schritte, in der Schaltung nach Fig.9 dagegen looo Schritte pro R oüarußtd rehu ng.

rrfindungsgerviß wurde engestrebt, die Schrittzahlcn pro Rotorumdrehung Ri t gleichen mechanischen itotoraufbau verlieren zu können. Die Bedingung nach 2ooo Schritten pro Rotorumdrehung läfSt sich erfindunosge:R3ß ir.it der Schaltung nach Fig.loa entsprechend der Polaritätszustandstabello FinJLla erfüllen. Bei den bereits oben erläuterten zwei Schaltungsarten wird jeweils eine ganze Phasenwicklung W, bestehend aus z.B. zwei Hauptpolwicklungen,ein- oder ausgeschaltet. Bei der Schaltung nach FigJoa wird erfindungsgemäa pro Zeiteinheit jeweils nur eine Hauptpolwicklung W/2 einer Phasenwicklung W ein-, aus- oder umgeschaltet. Betrachtet man z.B. von Schaltung Fig.9 das zugehörige Polaritätszustandsdiagranm Fig. 12, dann wird.im Übergang von Schritt null nach Schritt eins die Phasenwicklung Wl mit den Polen I und VI gemeinsam ausgeschaltet, d.h. die

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beiden Pole sind ohne Erregung. 'lach der Polaritätstab^lle FigJ2α fUr die Schaltung Fig.loowird erfindungnaemäß beim erßten Schritt s.n. nur die Wicklung von Pol I ausgeschaltet, während die Wicklung von Pol VI eingeschaltet bleibt. Er*t beim zweiten Schritt wird dann erfindunrjr.ncTKiß auch die Wicklung von Pol VI ausgeschaltet (un^rrcgt). Dadurch wird erfindungsgenäß der der Schaltung nach Fig. 9 entsprechende Schrittwinkol ^P^-l/?oxT_R halbiert auf f₁₃=l/4oxT_R. noim beschriebenen Motor mit Ansteuerschaltunc? nach Fig^oa mit T_«5»o Rotor^ähnen «reibt eich eomit ein Schrittwinkel von 3δ0^ο/5οχ4ο·ς», 18° und 2ooo Schritte pro Rotorumdrehung.

Die Bedingung nach 2oo und 4oo Schritten pro Rotorunidrehung wird erfindungsgernS dadurch erfüllt, indem die Statorwichlungen von Pol I bis X zu den Zweiphasenwicklungen W_g und. V?» entsprechend Fig. 14 miteinander verbunden und über eine Schalteranordnung nach Fig.15 mit der Stromquelle srueanraengeschaltet und erregt werden.

Die Wicklung W, besteht aus den Statorwicklungen von Pol I, II, III, VII unö VIII und diese sind derart miteinander verbunden und erregt, daß nebeneinander liegende Pole unterschiedliche Polaritäten aufweisen.
C

Die Wicklung W_ besteht aus den Statorwicklungen von Pol IV, V, VI, IX und X und diese sind entsprechend W^ miteinander verbunden.

Jede Wicklung besteht demnach aus zwei sich gegenüberliegenden Gruppen von Statorwicklungen, wobei der einen Gruppe drei Statorhauptpole, der anderen zwei Statorhauptpole zugeordnet sind.

Für die einzelnen Schritte ergeben sich bei der Betätigung der Umschalter S₁₆ bis S₁₉ die in 17a bis 17d dargestellten Polaritätszustände.

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In Fig.17a bis d ist anhand eines Motors mit P=Io? n=0 und Z_n=16 die Drehbeweaung de
lungsumschaltung dargestellt.

und Z_n=16 die Drehbeweaung des Rotors als Folge der Wick-

Der Rotor wird hierbei erfindungsgemäß um T_R/4 weiterbewegt. Dies geschieht dadurch, daß sich am Umfang des Arbeitsluftspaltes zwei magnetische Anziehungsbereiche ausbilden, deren Mitten, wie aus Fig.17a bis b schematisch gezeigt, sich von Schritt zu Schritt jeweils um 9o drehen.

Erfindungsgemäß wechselt dabei von Schritt zu Schritt jeweils die Anzahl der Nord- und Südpole von 3xu Nord- und 2xu Süd- auf 2,5xu Nord- und Süd- sowie auf 2xu Nord- und 3xu Südpole. Hieraus ersieht man, daß für diese Aufteilung nur eine gerade Anzahl von Gruppen u=2 in Frage kommt. Erfindungsgemäß hat der Motor mit Z=5o Rotorzähnen und T_R=7,2° in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Wicklungsanordnung und Ansteuerschaltung einen Schrittwinkel von 1,8° entsprechend 2oo Schritten pro Rotorumdrehung. Eine Halbierung dieses Schrittwinkels auf τ=ο,9 und damit entsprechend 4oc Schritten pro Umdrehung kann dadurch erzielt werden, daß abwechselnd von Schritt zu Schritt einmal zwei Phasen und einmal nur eine der beiden Phasen erregt werden.

Dieser Motor ist erfindungsgemäß in der beschriebenen Wicklungsanordnung auch als Zweiphasen-Synchronmotor oder auch als Einphasensynchronmotor mit Kondensatorhilfsphase zu betreiben. Die synchrone Drehzahl ergibt sich zu (f/Z^-6o sec[u/minj.

Um auch Motorauslegungen mit einer ungeradzahligen Gruppenzahl u=l verwenden zu können, kann erfindungsgemäß eine 3/2xu Aufteilung benutzt werden. In den Fig.18a bis 18b ist

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das Prinzip gezeigt. Am Beispiel eines Motors mit zehn Hauptpolen bilden die Pole I, II, V, VI, VII und X die eine Phase und die Pole III, IV, VIII und IX die andere Phase. Wie in Fig.18a und 18b gezeigt, bilden sich wieder zwei magnetische Anziehungsbereiche mit von Schritt zu Schritt wechselnder Anzahl von Nord- und Südpolen. Die einzelnen Polaritätszustände sind jedoch identisch mit jedem vierten oder sechsten Schritt, aus dem in Fig.12 skizzierten PoIaritätszustandsdiagramm vom Fünfphasenbetrieb. Dadurch ergeben sich mit der Polaritätsfolge nach den Schalterzuständen. von Fig.16 von Schritt zu Schritt sich verändernde Schrittwirikel, und zwar in der Folge 3/1οΤ_η; 2/loT_. und 3/1OT_n usw.

KK K

Die Summe von zwei aufeinander folgenden Winkeln ist immer gleich groß, nämlich 1/2T .

Erfindungsgemäß hat dieser Motor als Synchronmotor die gleiche Drehzahl wie der Motor von der Beschreibung in Bild 17. Soll er als Schrittmotor betrieben werden, macht man zweckmäßigerweise die Phasenströme durch äußere Beschaltung (große Vorwiderstände oder Konstantstromrealer) gleich groß.

Wenn alle 5xu Wicklungen die gleichen Wickeldaten haben, dann verteilt sich der Phasenstrom bei Parallelschaltung der Einzelwicklung in der einen Phase über 3xu Pole und in der anderen Phase über 2xu Pole. Bei einem Motor, dessen Arbeitspunkt unterhalb des Knickes auf der Magnetisierungskennlinie liegt, wird somit der Schrittwinkel von 3/loT_n etwas verkleinert und der folgende Schrittwirikel von 2/loT_, etwas

vergrößert. Man erhält im Mittel einen Schrittwinkel von 1/4T_R.

Vorliegende Erfindung erlaubt somit bei gleichem mechanischen Aufbau des Motors mit Hilfe von wickel- und schaltungstechnischen Maßnahmen Schrittwirikel von o,18°; o,36°; o,72°; o, 9 ; 1,8° zu erzeugen und bei optimaler Leistung den Motor bei Zweiphasenschaltung nach Fig.15 auch als Zweiphasen-Synchron- oder als Einphasen-Kondensatormotor zu betreiben. Es ergeben sich somit erhebliche wirtschaftliche Vorteile bei der Herstellung derartiger Motoren.

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Claims

Lahr, 19.9.1974 Aktenzeichen: P 2 3 42 994.9 Anmelder: Gerhard Berger Fabrikation elektr. Meßgeräte 763 Lahr, Bergstr. 34 (Neue) Patentansprüche

1. Fünf-Phasen-Schrittmotor mir einem Stator und einem Rotor entsprechend der Hauptpatentanmeldung P 2235OS6.3 dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Statorpole (2) so verändert wird, daß die Abstandswinkel OC und β zwischen den Statorpolzähnen zweier Phasen gleich werden oder zumindestens einen kleineren Unterschied aufweisen, wobei C\e Statorzahnteilung Tc; gleich oder ungleich der Rotorzahnteilung T_R sein kann, ferner daß bei ein und demselben Motor durch Änderung der Wicklungsverbindungen und der Ansteuerungsschaltungen de*~ Schrittwinkel in den fünf Stufend/4, (f/2, \,25(f>und 2,5(pverändert und bei der Wicklungsverbindung mit dem größten Schx'ittwinkel der Motor als Zweiphasen-Synchronmotor betrieben werden kann.

2. Fünf-Phasen-Schrittmotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß einige Statorpolzähne (2) an den Statorhauptpolen (1) um eine Zahnteilung seitlich versetzt angeordnet sind, so daß sechs Winkel OC und vier Winkel/3 entstehen.

3. Fünf-Phasen-SChrittrnotor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise bei einem Statorblechschnitt

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mit vier Statorpolzähnen (η = 3) bei vier Hauptpolen (1) der dritte Statorpolzahn weggelassen und außen neben dem vierten Polzahn hinzugefügt, so daß damitoC =/3 wird.

4. Fünf-Phasen-Schrittrnotor nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß für den Schrittwinkel (f die Fünf-Phasen-Wicklungen W. - W₅ bzw. W₁ 2 -· ^W5 2 ^{zu einem} ^sY^mme~ trischen Fünfeck verbunden werden und die Ansteuerung über fünf einpolige Umschalter S₁ - S5 an die gemeinsame Stromquelle E derart erfolgt, daß bei jedem Schritt immer eine der fünf Phasenwicklungen W₁ - W5 kurzgeschlossen ist.

5. Fünf-Phasen-Schrittmotor nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß für den Schrittwinkel^/2 die Fünf-Phasen-Wicklungen W₁ - W5 über fünf doppelpolige Umschalter S₆ - U₁₅ derart mit der Stromquelle E verbunden werden, so daß nur bei jedem zweiten Schritt eine Phasenwicklung kurzgeschlossen ist.

6. Fünf-Phasen-Schrittmotor nach Anspruch 1 - ? dadurch gekennzeichnet, daß für. den Schrittwinkel ψ/^ die zehn Statoreinzelwicklungen I - X über zehn doppelpolige Umschalter derart mit der gemeinsamen Stromquelle E verbunden werden, so daß bei jedem zweiten Schritt eine Statorhauptpolwicklung einer Phasenwicklung kurzgeschlossen wird.

7. Fünf-Phasen-Schrittmotor nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Schrittwinkels von 2,5 ψ die Statorhauptpolwicklungen I - X zu Polgruppen abwechselnder Polarität mit zwei und drei Hauptpolen je

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Phase, die sich diametral gegenüberliegen, zu den zwei Phasenwicklungen Wg und W7 zusammengeschaltet werden
und über vier Umschalter S16 - S^ mit der gemeinsamen Stromquelle E verbunden und dabei sämtliche Wicklungen erregt werden.

8. Fünf-Phasen-Schrittmotor nach Anspruch 1-3 dadurch
gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Schrittwinkels von 1,25 ψ die zwei Phasenwicklungen Wg und W7 abwechselnd beide zusammen oder nur eine allein erregt werden.

9. Fünf-Phasen-Schrittrnotor nach Anspruch 1-3 dadurch
gekennzeichnet, daß der Motor nach Anspruch 7 an einem Zwei-Phasen-Netz als Synchronmotor betrieben werden
kann.

10* Fünf-Phasen-Schrittmotor nach Anspruch 1-3 und 9 dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Anzahl der Hauptpolwicklungen je Phase in den Phasenwicklungen Wg und W7 3 : 2 sein kann.

11. Fünf-Phasen-Schrittmotor nach Anspruch 1-10 dadurch
gekennzeichnet, daß die Statorsahnteilung T₃ jeden beliebigen Wert zwischen 0,9.T_R und 1,1· [(n+K+0,6)/(n+K)J · Tjt einnehmen kann, die Bedingung für den Abstand zwischen der Mitte eines Hauptpolzahnbildes und der Mitce eines benachbarten Hauptpolzchnbiides, mit*|^p=(n+K+0, 6) »T_R,
jedoch erfüllt sein muß, η und K ganze Zahlen "^ 0 sind. /

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