DE2539394C3

DE2539394C3 - Ein- oder mehrphasiger dynamoelektrischer Motor

Info

Publication number: DE2539394C3
Application number: DE2539394A
Authority: DE
Inventors: Donald Lionel Mangotsfield Bristol Hore
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-09-05
Filing date: 1975-09-04
Publication date: 1982-03-04
Also published as: US4357568A; DE2539394B2; JPS5155914A; FR2284213A2; JPS5752788U; GB1485304A; DE2539394A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ein- oder mehrphasigen dynamoelektrischen Motor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solcher Motor ist Gegenstand des Hauptpatentes 25 19 404. Dort wird zur Verbesserung des optimalen Drehmoments eines ein- oder mehrphasigen dynamoelektrischen Motors das relativ zum Stator bewegliche Teil mit mindestens einer kurzgeschlossenen Wicklung ausgestattet, die derart angeordnet ist, daß in mindestens einer Stellung des bweglichen Teiles eine minimale und in einer anderen Stellung eine maximale Verkettung des von der oder den Statorwicklungen erzeugten Wechselflusses mit der öder den kürzgeschlossenen Wicklungen auftritt. Durch diese Konstruktion wird eine einseitig gerichtete Bewegung des relativ zum Stator beweglichen Teiles ir. Richtung auf eine statische Nullposition hin realisiert. Dabei hängen jedoch die einzelnen Bewegungsschritte, die in einem Winkelbereich von 0 bis 90° eingestellt werden können, Von der Zahl der Wicklungen, bzw. deren relativer Lage ab. Eine Veränderung der relativen Lage der einzelnen Drehschritte innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches ist bei dieser Konstruktion jedoch nicht möglich.

Aus der DE-AS 15 38 832 ist ein Antriebssystem mit einem Schrittmotor bekannt, der sowohl im Schrittbetrieb als auch im kontinuierlichen Lauf in Abhängigkeit von den durch einen Lagefühler bereitgestellten Lageimpulsen betrieben werden kann. Die Ausgangssignale des Lagefühlers liefern eine Information darüber, ob sich der Motor in einer einer Wicklungskombination entsprechenden Schrittstellung oder zwischen zwei solchen Schrittstellungen befindet. Mit Hilfe einer vom LagefühJer angesteuerten Schalteinrichtung wird zuerst die Erregung des Einzelschrittes und darauf bei Vorliegen der Information, daß sich der Motor zwischen zwei Schrittstellungen befindet, die Betriebsart »Schnellgang« realisiert

Aus der GB-PS 8 61 260 ist eine Schrittniotorkonstruktion bekannt, bei der ein ebenfalls zur Anwendung gelangender Lagefühler aus einer mit der Motorwelle festgekoppelten Nocke besteht, der einen aus einzelnen Kontaktteiien bestehenden Schalter betätigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem ein- oder mehrphasigen dynamoelektrischen Motor der eingangs genannten Art durch einfache Maßnahmen die Schrittbewegungen in eine kontinuierliche Bewegung umzuwandeln.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Bei der Konstruktion nach der Erfindung ist eine Erregung der Statorwicklungen in einer vorbestimmten Folge realisierbar, so daß dadurch eine Änderung der Flußverkettung der kurzgeschlossenen Wicklungen auftreten kann, um eine Bewegung des beweglichen Teiles relativ zum Stator in einer Richtung zu bewirken, die durch die Folge der Erregung der Statorwicklungen bestimmt ist

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unten.-lsprüchen gekennzeichnet

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Einphasenzweipolkäfigmotors;

F i g. 2 ein Diagramm, welches die Richtung des Flusses anzeigt, der sich aus der Erregung der Statorwicklungen des Motors gemäß F i g. 1 ergibt;

F i g. 3 eine schematische Ansicht einer Nockenvorrichtung um eine aufeinanderfolgende Erregung der Statorwicklungen des Motors gemäß F i g. 1 zu erzielen;

F ι g. 4 eine elektrische Schaltung mit den Kontaktteiien, die durch die Nocke gemäß F i g. 3 betätigt werden;

F i g. 5 eine elektrische Schaltung mit Umwechselkontakten, die durch die Nocke gemäß Fig. 3 betätigt werden;

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Dreiphasen-Zweipoldynamomaschine;

F i g. 7 ein Flußdiagramm der Maschine gemäß Fig. 6;

F i g, 8 eine elektrische Schaltung zur VeranschauH-chting eines Verfahrens zur Entgegenhaltung von nicht erregten Slätörwicklungeri,·

Fig,9 einen Einphasenlinearmotor, der der Anordnung gemäß F i g, 1 äquivalent ist; und

Fig. 10 eine abgewandelte Version des Linearmotors von F i g, 9.

Gemäß Fig. 1 sind bei der Einphasen-Zweipolkonstruktion Statorwicklungen Q', S, R, wie für einen Dreiphasen-Zweipolmotor verteilt angeordnet mit der Ausnahme, daß die »Anfänge« um 60° auseinanderliegen und nicht 120°, wie dies bei herkömmlichen Käfigankermotoren der Fall ist Die Rotorkonstruktion enthält kurzgeschlossene Wicklungen 4a. Befindet sich der Rotor la'in der in F i g. 1 gezeigten Lage, so erzeugt die erregte Statorwicklung Q' Flußpfade, wie sie durch die strichpunktierten Linien angezeigt sind, wobei dieser Fluß jedoch die kurzgeschlossenen Wicklungen 4a nicht verkettet Der Rotor la'ist daher in dieser Lage blockiert, da jeder Versuch, eine Drehung des Rotors zu bewirken, eine Verkettung der kurzgeschlossenen Wicklungen 4a im Sinne der Erzeugung eines selbstausrichtenden Drehmoments zur Folge hat, welches mit der winkelmäßigen Verschiebung zunimmt

Wenn anstelle der Statorwicklung Q' die Statorwicklung 5 oder R erregt wird, so dreht sich der Rotor in der entsprechenden Richtung, um die Flußverkettung mit den kurzgeschlossenen Wicklungen 4a des Rotors la'zu reduzieren, das heißt, der Rotor dreht sich dann sn, daß er sich selbst mit der erregten Wicklu-g wieder ausrichtet Eine aufeinanderfolgende Erregung der Statorwicklungen Q', S und R führt daher zu einer Drehung des Rotors la'im Uhrzeigersinn, während eine aufeinanderfolgende Erregung der Wicklungen Q', R' und S'eine Drehung des Rotors im Gegenuhrzeigersinn bewirkt Die Flußrichtungen, die sich aus der Erregung der Statorwicklungen Q', Sund R ergeben, sind in Fig. 2 veranschaulicht

Die Winkellage des Rotors relativ zum Stator wird mit Hilfe geeigneter Mittel erfaßt um eine aufeinanderfolgende Umschaltung der Statorwicklungen ausführen zu können. F i g. 3 veranschaulicht ein Verfahren, um dieses Ziel mit Hufe eines Nockens 4 an einer Rotorwelle zu erreichen, und zwar in Verbindung mit nockenbetätigten Kontaktteilen aA; bB;cC Äquivalente Ergebnisse lassen sich auch durch Anwendung der Bürstenkommutatortechniken oder durch Vorsehen von äquiva';nten Halbleitervorrichtungen anstatt des Nockens und der nockenbetätigten Kontakte erreichen. Was auch immer für Mittel verwendet werden, so besteht das Ziel darin, eine Statorwicklung von der Stromversorgung für jeweils 60 elektrische Grade der Bewegung des Rotors la'abzutrennen und eine andere anzuschließen, wooei die zeitliche Steuerung und die Reihenfolge des Schaltverlaufes durch die Bewegung einer Positionsfühlereinrichtung relativ zum Stator bewirkt wird.

In F i g. 3 ist die Nockt 4 mit der Welle des Rotors la' verkeilt und weist zwei Nockenvorsprünge auf, die bewirken, daß dia Kontakte Aa. Bb. Cc bei jeder Umdrehung zweimal geschlossen und geöffnet werden. Die Kontakte sind an einem Haltering 7 befestigt, dessen winkelmäßige Lage relativ zum Stator durch eine Betätigungsvorrichtung 8, die über eine Bezugsskala 9 bewegbar ist, eingestellt werden kann. Befindet sich der Haltering 7 und die Nocke 4 in der gezeigten Lage, so ist der Kontakt Aa geschlossen, so daß also die Statorwicklung Q' erregt ist, wie in F i g. 4 gezeigt, wobei die Verdrahtung bzw. elektrischen Verbindungen in F ί g, 3 der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind. Ist die Statorwicklung Q' erregt, so befindet sich die Nullposition des Rotors in der in Fi g, 1 gezeigten Lage, und die strichpunktierten Linien 10 zeigen einen typischen Flußpfad an, der durch den Rotor und Stator verläuft und der mit keiner der kurzgeschlossenen Wicklungen verkettet ist Wird eine Wecliselstromversorgungsspannung angeschlossen, so wird der Rotor in dieser Position blockiert

Wenn dagegen die Betätigungsvorrichtung 8 im Uhrzeigersinn bewegt wird, so wird der Kontakt Aa unterbrochen, und der Kontakt Bb wird geschlossen. Dadurch wird die Statorwicklung S erregt, und es wird bewirkt, daß sich die Flußachse im Uhrzeigersinn um 60° bewegt, und daß der Rotor la' dieser Bewegung

ίο folgt Bei dieser Bewegung und einer weiteren Drehung des Nockens 4 wird der Kontakt Bb unterbrochen, und der Kontakt Cc wird geschlossen usw. Als Ergebnis erhält man eine kontinuierliche Drehung im Uhrzeigersinn mit einer Geschwindigkeit oder einem Drehmoment welches von der relativen Winkelverschiebung des Ringes 7 zum Stator bis zu einem Maximum von 60° abhängig ist

Wenn die Betätigungsvorrichtung 8 in die Nullage zurückgeführt wird, so wird der Rotor erneut blockiert; eine Bewegung desselben im Gegenuhrzeigersinn führt zu einer kontinuierlichen Drehung ^:n der entgegengesetzten Richtung.

Die Maschine funktioniert daher als Einphasenmotor mit veränderlicher Drehzahl mit dem Vorteil, daß zum Rotor keine elektrischen Verbindungen erforderlich sind, und daß eine einfache und unmittelbare zugängliche äußere Kommutatorvorrichtung verwendet werden kann.

In dem Hauptpatent 25 19 404 ist darauf hingewiesen, daß das Drehmoment welches bestrebt ist den Rotor in die Nullage zurückzuführen, erhöht werden kann, wenn diese Lage angenähert erreicht wird, wenn die nicht erregten Wicklungen derart geschaltet sind, daß ein zirkulierender Strom in ihnen fließen kann. Von diesem Merkmal kann auch beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht werden. F i g. 5 zeigt, auf welche Weise die nicht erregten Wicklungen gegenein· andergeschaltet werden können, wenn die Schaltermittel, die durch ihre Positionsfühlmechan'smen betätigt

werden, Überwechselkontakte besitzen. Äquivalente Systeme können auch unter Verwendung von Bürstenk· mmutatoren oder Halbleiter-Positionsfühlmitteln und Schaltervorrichtungen realisiert werden.

F i g. 6 veranschaulicht schematise!) eint Dreiphasen-Zweipolmaschine dieses Typs, der mit 3 Sätzen von Wicklungen pro Phase ausgestattet ist, die um 40 elektrische Grade jeweils gegeneinander versetzt angeordnet sind, wie dies in dem Hauptpatent 25 19 404 beschrieben ist. Die Flußrichtungen, die der Erregung dieser Wicklungen entsprechen, sind in F i g. 7 veranschaulicht.

Gemäß Fig. 8 ist die Maschine ebenfalls mit einer Positionsfühleinrichtung und mit Schaltermitteln ausgestattet, um in diesem Fall alle 40 elektrischen Grade eine Schalteränderung herbeiführen zu können. In diesem Fall besitzt der N.cken 4' drei Nockenvorsprünge und drei Nockenfolger. von denen jeder derart angeordnet ist, daß er gleichzeitig drei Wicklungen für alle 40 Grade der Rotorbewegung schalten kann. Auch hier sind dij; Nockenfolger an dem Haltering 7 befestigt, der relativ durch die Betätigungsvorrichtung 8 zum Stator gedreht werden kann. Befinden sich die einzelnen Komponenten in der gezeigten Lage, so verbinden die kontakte la, 1.6 und Ic die Dreiphasen-Versorgungsleitungen Ll. L2 und L3 mit der Wicklung Ai, Bi und Cl. Bei dieser Erregung bewirkt die durch den Stator und Rotor mit strichpunktierten Linien angezeigte Flußbahn, daß der Rotor in der gezeigten Position blockiert ist: eine

Bewegung der Betätigungsvorrichtung 8 relativ zum Stator in eine der Richtungen bewirkt, daß die Maschine startet und kontinuierlich in einer Drehrichtung mit einer Geschwindigkeit oder einem Drehmoment läuft, die mit der Verschiebung und der Last variiert.

Wenn die Schaltermittel auch hier mit einer Überwechselkontaktfunktion ausgestattet sind, so lassen sich die zwei Wicklungen jeder Phase, die nicht erregt sind, entgegenschalten, wenn die Nullpoüition eingenommen wird, um dadurch das Selbstausrichtdrehmoment maximal zu gestalten. Diese Verbindung ist mit strichlierten Linien in der Schaltung gemäß Fig.8 gezeigt.

Obwohl in beiden Fällen Zweipolmaschinen gezeigt sind, können auch vielpolige Maschinen unter Anwendung des gleichen Prinzips gebaut werden.

Das Einphasenmotorprinzip kann auch auf eine Linearmaschine angewendet werden, ebenso wie: auf eine sich drehende Maschine. F i g. 9 zeigt eine derartige mögliche Anordnung. Mit »A«\sl ein Stator bezeichnet, der drei Wicklungssätze 1, 2 und 3 aufweist, die unter Bildung von vier Polen angeordnet sind. Mit »B« ist das bewegliche Teil oder der Schlitten bezeichnet, der so angeordnet ist, daß eine relative Bewegung zwischen B und A parallel zueinander möglich ist. Der Schlitten besteht aus einem Block aus magnetischem Material, in welchem elektrische Leiter eingebettet sind, die nahezu parallel zu den Schlitzen bzw. Nuten verlaufen, weiche die Statorwicklungen aufnehmen, und die an uhren Enden zusammengeschaltet sind, um leitende Schleifen X und Y zu bilden. Befindet sich B in der gezeigten Stellung, und wird die Wicklung 1 mit Einphasenwechselstrom erregt, so ergibt sich aus den mit Pfeilen versehenen Linien, daß der Fluß durch den Schlitten zwischen benachbarten Statorpolen hindurchgelangen kann, ohne daß dabei eine Verkettung mit den Leiterschleifen auftritt. Dies stellt daher die Nullage des Teiles B dar, in welcher dieses Teil blockiert ist Wenn die Wicklungen 1 entregt werden, und die Wicklungen 2 erregt werden, so ergibt sich, daß das Teil B nach rechts bewegt wird, um die Flußverkettung mit X und Y minimal zu gestalten. Dieses Umschalten kann automatisch durchgeführt werden, und zwar durch geeignete Schaltermittel oder durch kontaktlose Vorrichtungen unter Feststellung der Lage des Teiles B relativ zum Teil A. Wenn die Lage der Abtastvorrichtung relativ zum Teil B beweglich bzw. veränderbar ist, so läßt sich die Geschwindigkeit oder die Kraft erhöhen oder vermindern, und zwar in Abhängigkeit von der Verschiebung

in der Abtastvorrichtung aus der Nüllpositiön heraus.

Ein Linearmotor dieses Typs kann doppelseitig ausgeführt werden, indem man das Teil C hinzufügt, welches aus einem Block aus magnetischem Material besteht und ebenso Statorwicklungen tragen kann, ähnlich wie das Teil A. In einem solchen Fall kann es ratsam sein, das Eisen von dem Teil B zu entfernen, welches dann nur aus Leiterschleifen besteht, die zweckmäßigerweise aus einem ebenen Blech aus Aluminium oder Kupfer herausgepreßt sind. Eine derartige Konstruktion ist in F i g. 10 veranschaulicht.

Ein Beispiel der Positionsfühlvorrichtung ist auch in den Fig.9 und 10 dargestellt. Mit »D« ist eine Fühleinheit mit drei Sensoren 51, 52 und 53 bezeichnet, die jeweils ein Weiterschalten auf die Wicklungen 1, 2 und 3 bewirken. Diese Sensoren können vom photoelektrischen Typ sein, der eine Marke oder Markierung oder einen Raum an dem Teil B öder an dem Teil B 1 feststellt. Diese Marken sind in F i g. 10 mit ^bezeichnet.

Befinden sich der Stator A, der Sensor D und der Schlitten Sl und den gezeigten relativen Lagen, so bewirkt die Marke unterhalb des Fühlers 51, daß die Wicklung 1 erregt wird, so daß dadurch das Teil S 1 in seiner Lage blockiert wird. Wenn der Fühler D nach links bewegt wird, so wird die Wicklung 1 entregt und die Wicklung 2 erregt, so daß das Teil B1 veranlaßt wird, sich nach rechts zu bewegen. Dadurch wird die Wicklung 2 entregt, und die nächste Marke oder Markierung aktiviert 53 für die Erregung der Wicklung 3, so daß man eine kontinuierliche Bewegung erhält

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ein- oder mehrphasiger dynamoelektrischer Motor für Schrittbetrieb mit einem Stator mit mindestens einer Statorwicklung, die bei unstetiger Erregung einen Wechselfluß erzeugt und mit einem relativ zum Stator beweglichen Teil, das lageabhängige Pfade von niedriger und hoher Reluktanz für den Durchtritt des Wechselflusses aufweist, wobei das relativ zum Stator bewegliche Teil mindestens eine kurzgeschlossene Wicklung aufweist, die derart angeordnet ist, daß in mindestens einer Stellung des beweglichen Teiles eine minimale und in der anderen Stellung eine maximale Verkettung des von der oder den Statorwicklungen erzeugten Wechselflusses mit der oder den kurzgeschlossenen Wicklungen auftritt, nach Hauptpatent 25 19404, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils einer Statorwicklung (Q', S, R; 1,2,3) zugeordnete Schalter (aA, bB, cC; a, b, cjdurch einen Lagefühler (7,8,9,4; 4'; S1,52, S3) derart betäi^;gbar ist, daß das bewegliche Teil (Rotor la'; Schlittert B; B') in einer Nullnosition magnetisch stabil festhaltbar und in einer aus der Nullposition in der einen oder anderen Richtung herausgeführten Lage des Lagefühlers in der einen oder anderen Drehrichtung kontinuierlich bewegbar ist.

2. Ein- oder mehrphasiger dynamoelektrischer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil ein Rotor [Xa') ist, daß der Lagefühler (7,8,9,4; 4') aus einem auf der Welle des Rotors (Xa') befestigten Nocken (4; 4') und die Schalter (aA, kB, cC; a, b, c) aus einer Vielzahl von Kontaktteilen bestehen, die an einem Halteteil (Haltering 7) befestigt sind uhd daß das Halteteil in seiner Winkellage relativ zum Stator einstellbar ist.

3. Ein- und mehrphasiger Jynamoelektrischer Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Selbstausrichtmomentes die Schalter (aA, bB, cC) derart ausgelegt sind, daß zu den jeweils erregten Statorwicklungen die nicht erregten Statorwicklungen gegebenenfalls gegenschaltbar sind.

4. Ein- oder mehrphasiger dynamoelektrische!· Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor als Linearmotor ausgeführt ist.