DE2653387A1 - Schrittmotor - Google Patents

Description

• Schrittmotor
• Es ist bekannt, Schrittmotoren-Statoren aus gestanzten Blechen zu schichten, wobei das Statorblech einen geschlossenen Kreisring mit den entsprechenden Aufnahmeöffnungen für die Wicklung und die erforderlichen Polteilungen enthält. Es ist weiterhin bekannt, den Stator für Schrittmotoren so aufzubauen, daß die Pole aus U-förmig gebogenem Blech gebildet werden, welche ineinandergelegt werden, wodurch der gewünschte Zahn-LUcke-Abstand erreicht wird und welche U-förmigen Blechen die Wicklungen aufnehmen.
• Während das erstbeschriebene Verfahren ein sehr kostenintensives Stanzwerkzeug erfordert, ist beim zweiten Verfahren der Herstellungsaufwand relativ hoch.
• Demgegenüber besitzt nachfolgend beschriebenes Verfahren diese Nachteile nicht.
• Der Stator wird hier aus Segmenten 1 aufgebaut, die aus gestanzten und geschichteten Blechen bestehen. Die Segmente sind entsprechend Fig. 1 so ausgelegt, daß z.B. für einen Vierphasen-Schrittmotor vier gleiche Segmente gestanzt werden. Jedes Segment beinhaltet die für den Schrittmotor charakteristische Zahnausbildung 2 sowie den Raum 3 zum Einlegen der Wicklungen.
• Fig. 2 zeigt ein derartiges Segment. Die Zähne 2'sind um einen halben Zahnabstand in Umfangsrichtung gegen die Winkel-Halbierende der Segmente 1 versetzt. Die Segmente 1 werden in Umfangs richtung des Stator abwechselnd auf der Blechvorderseite bzw. der Blechrückseite liegend zusammengesetzt. Für einen Vierphasenmotor werden jeweils zwei Bleche auf der Vorderseite liegend und zwei Bleche auf der Rückse ordnet.
• Die Herstellungskosten für ein derartiges Stanzwerkzeug sind vergleichsweise gering zu denen für ein kreisringförmiges Statorstanzwerkzeug. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil das Segment nur einen Teil des Bearbeitungsaufwandes beinhaltet wie der für den Kreisring erforderliche. Weiterhin läßt sich das Segmentwerkzeug z.B. durch Drahterodieren in einem geschlossenen Kurvenzug herstellen. Der Kreisring dagegen besteht aus zwei Kurvenzügen. Da beim Stanzen der Segmente kaum Stanzabfälle entstehen im Vergleich zum Kreisring, sind die Materialkosten für einen segmentweise aufgebauten Stator günstiger. Für einen Vierphasen-Motor besteht der Stator aus vier identischen Segmenten.
• Die erforderliche Stückzahl an Teilen vervierfacht sich daher zum Kreisringstator. Dies bedeutet eine weitere Rationalisierungsmöglichkeit bei der Herstellung des Segmentstators.
• Um aus den Einzelsegmenten einen kreisringförmigen Stator (Fig.3+4) zu erhalten, sind die Segmente 1 an ihren Enden 4 so ausgebildet, daß ein geeignet geformtes, z.B. schwalbenschwanzförmig gestaltetes Verbindungsstück 5 aus magnetisch nichtleitendem Material die Verbindung der Segmente untereinander herstellt. Die Länge dieses Verbindungsstückes entspricht dabei der Statorlänge. Gleichzeitig trägt dieses Verbindungsstück an seinen Enden Stehbolzen 6.
• Über diese Stehbolzen wird das Statorblechpaket durch zusammenschrauben zusammengepreßt und ist somit gegen Verschiebungen gesichert. Gleichzeitig bieten diese Stehbolzen die Möglichkeit der Befestigung der vorder- und rückseitigen Motorabdeckungen 7, die die Aufnahme 8 für die Lager der Rotorwelle sowie den Flansch 9 zur Motorbefestigung und einen Klemmkasten 10 zum elektrischen Anschluß des Motors enthalten. Diese Motorabdeckungen 7 sind so ausgebildet, daß sie gleichzeitig durch Hineinragen in den Rotorraum des Stators eine mechanische Abstüztung 11 bilden und für die Einhaltung des gewünschten Luftspaltes zwischen Rotor und Stator sorgen.
• Der Rotor von Schrittmotoren ist für Motoren höherer Leistung üblicherweise aus Permanentmagneten aufgebaut, die axial magnetisiert sind und auf deren ik)lflächen jeweils ein Polrad aus geschichteten Blechen oder au; einem Sinterteil aufgebracht ist.
• Zur Leistungssteigerung der Motoren werden dabei auch zwei und mehr Magnete mit Polrädern verwendet. Aus Gründen der Magnetisierbarkeit werden diese Magnete jedoch alle in derselben Richtung magnetisiert. Dies erfordert dann zwischen jedem Magnetsystem einen Luftspalt von einigen Millimetern zur magnetischen Entkopplung der Systeme. Trotz des Luftspaltes tritt noch ein Streufluß zwischen den Magnetsystem auf. Dieser geht der Motorleistung verloren und zur Erzielung eines bestimmten Drehmomentes sind entsprechend größere oder bessere Magnete zu verwenden.
• Dadurch entstehen erhöhte Kosten und eine größere Bauform. Die hier beschriebene Magnetanordnung vermeidet diese Nachteile.
• Entsprechend Fig.5 wird der Rotor so aufgebaut, daß die Polarität 19 der Magnete 20 an ihren zusammenliegenden Stirnseiten gleichgerichtet ist, z.B. Südpol auf Südpol trifft. Durch diese Magnetanordnung kann der sonst erforderliche Luftspalt zwischen dem System entfallen und die gegenüberliegenden Polräder 21 der beiden Systeme dürfen zusammengeschoben werden. Falls noch weitere Systeme folgen, wird nach der selben Regel verfahren. Die Vorteile sind offenkundig. Ein Streufluß zwischen dem System tritt nicht mehr auf. Die Bauform kann durch Verwendung kleinerer Magnete bei gleicher Leistung und durch Wegfallen des Luftspaltes reduziert werden.
• Die Wicklungsausführung bei Schrittmotoren ist üblicherweise so gestaltet, daß für jede vom Strom durchflossene Wicklung ein der Belastung entsprechender Drahtdurchmesser gewählt wird. Insbesondere bei hohen Erregerströmen ist deshalb ein relativ starker Drahtquerschnitt erforderlich. Da Schrittmotoren jedoch mit Rechteckimpulsen betrieben werden und die Wicklung üblicherweise so ausgelegt wird, daß eine große Stromanstiegsgeschwindigkeit erreicht wird und andererseits Schrittmotoren bis zu einigen 10 kllz Schrittfrequenz betrieben werden, beinhaltet das Frequenzspektrum des Ansteuerstromes sehr hohe Frequenzkomponenten. Aufgrund des Skineffektes steigt jedoch der wirksame Widerstand eines runden Cu-Drahtleiter von imm Durchmesser z.B. bei einer Frequenz von 1 MHz auf das Fünffache des Gleichstromwiderstandswertes. Wird der Motor, wie häufig üblich, illit Konstantstrom betrieben, so erwärmt sich die Wicklung dadurch auf unzulässig hohe Temperaturen. Betreibt man den Motor mit Ronstantspannung, so nimmt der Wicklungswiderstand entsprechend zu, was zu einer Minderung der Leistungsabgabe führt. Um die Nachteile dieses Effekts zu vermeiden, wird nun erfindungsgemäß jede Wicklung des Schrittmotors aus mehreren gegeneinander isolierten parallel aufgebrachten Wicklungen ausgeführt, so daß sich der Skineffekt entsprechend reduziert. Gleichzeitig ist eine Wicklung aus vielen dünnen Drähten geschmeidiger und somit leichter in den zur Verfügung stehenden Wickelraum einzulegen als eine Wicklung aus weniger dicken Drähten. Die Aufspaltung der Wicklung in mehrere Einzelwicklungen hat jedoch noch weitere Vorteile. Das dynamische Verhalten von Schrittmotoren hängt in weiten Grenzen von der Wicklungsausführung und der Art der elektrischen Bestromung ab. Da den zum Einsatz gelangenden höchsten Spannungen und höchsten Strömen aus wirtschaftlichen und technischen Gründen Grenzen gesetzt sind, ist diese Wicklungsausführung des Motors ein wesentlicher Punkt für dessen Laufeigenschaften. Man unters,cheidet insbesondere hochohmige Motoren mit hohem Anfangs drehmoment und niedriger Lauffrequenz und niederohmige Motoren mit kleinerem Anfangsdrehmoment und konstantem Drehmomentverlauf bis zu höchsten Drehzahlen. Hat man nun die Wicklung aus mehreren Einzelwicklungen ausgeführt, so ergeben sich vielseitige Kombinationsmöglichkeiten. Bei Serienschaltung der Einzelwicklungen erhält man die höchstohmige Ausführung. Für sie ist das hohe Anfangsdrehmoment charakteristisch. Führt man eine gemischte seriell/parallel-Schaltung aus, so sind die Zwischenwerte zur Anpassung des Motors an die verschiedensten Anforderungen möglich. Bei Parallelschaltung aller Einzelwicklungen erhält man die niederohmigste Ausführung. Sie liefert ein konstantes Drehmoment bis zu höchsten Drehzahlen.
• Da es aus wirtschaftlichen Gründen häufig nicht möglich ist, die bei der niederohmigen Verschaltung erforderliche Stromstärke für dieselbe magnetische Erregung wie bei der hochohmigen Verschaltung zu erreichen, ist das Drehmoment in der niederohmigen Ausführung meistens kleiner. Ist die Wicklung jedoch aus Einzelwicklungen aufgebaut, so besteht die Möglichkeit, jede Einzelwicklung mit einer einfachen Standardelektronik anzusteuern. Die Summe der Einzelströme kann dann so gesteigert werden, daß die Drehmomentkurve des Motors sowohl ein hohes Anfangsmoment als auch gute Linearität über der Drehzahl bis zu höchsten Frequenzen aufweist.
• Die Kombinationsmöglichkeiten sollen an einer aus 16 Einzelwicklungen bestehenden Wicklung erläutert werden. Die Einzelwicklung besteht aus n1 Windungen Eine Wicklung habe die Induktivität L1 und den Widerstand R1. Für die maximale Durchflutung dieses Pols seien W1 Amperewindungen erforderlich. Die zur Verfügung stehende W1 Konstantstromquelle zum Betrieb des Motors liefert I1 = 16 n1 Ampere, so daß bei Serienschaltung aller Windungen das maximal mögliche Drehmoment abgegeben wird. Die Konstantstromquelle soll den Konstantstrom bis zu einer Spannung U1 abgeben können. Dann U t ergibt sich die Stromanstiegsfunktion zu I (t) = K (1 -exp(- r mitt = Z und 1 (t) max. = I1. Solange die Zeit bis zum Erreichen von Ii klein ist im Vergleich zur Umschaltzeit der Wicklungen, kann der Motor nahezu sein volles Drehmoment abgeben. Bei höheren Drehzahlen wird jedoch Sie in die Stromanstiegszeit eingehende Spannung U gleich U1 - Uind, wobei Uind die durch die Rotordrehung induzierte Gegenspannung ist. Dadurch vergrößert sich die Stromanstiegszeit nochmals. Mit steigender Drehzahl sinkt der in die Wicklung fließende Strom, wodurch sich das Drehmoment reduziert.
• Je nach Wicklungsart erfolgt diese Reduzierung schneller oder langsamer.
• Für Serienschaltung aller 16 Wicklungen ergibt sich eine Induktivität von L16 = 256 L1. Der Wicklungswiderstand steigt auf R16 = 16 R1. Damit wird die Zeitkonstante # = < = 16 L1 = 16 t1. Die durch die Drehung des Rotors in der Wicklung induzierte Gegen-EMK wird U16 ind = 16 U1 ind Beides führt zu einem sehr schnellen Abfall des Drehmomentes. Das andere Extremum ist die Parallelschaltung aller 16 Wicklungen. Die Induktivität bleibt hierbei L1; der Widerstand wird zum. Daraus ergibt sich eine Zeitkonstante von 16 Die induzierte Gegenspannung bleibt jedoch bei Ulind, so daß insgesamt die Stromanstiegszeit kleiner wird und damit das Drehmoment bis zur höheren Drehzahl nutzbar bleibt. Allerdings wird es durch die geringe Amperewindungszalll von nur n1 . I1 = W1 auf 1 reduziert gegenüber der Serien-16 16 schaltung aller Wicklungen. Analog können alle Kombinationsmöglichkeiten zwischen Serien- und Parallelschaltungen betrachtet werden.
• Nun bietet sich aber die Möglichkeit, mehrere Einheitskonstantstromquellen und Ansteuerelektroniken parallel, aber getrennt zu verwenden. Bei beispeilsweise 16 solcher Einheiten bleibt die Zeitkonstante r wie bei einer Wicklung, also 1 = ##. Die induzierte Gegenspannung bleibt Ulind und das Drehmoment wird genau so groß wie bei der Serienschaltung; also maximal. Diese Anordnung bietet die Vorteile des maximalen Drehmomentes bei gleichzeitiger guter Linearität des Drehmoments über einen weiten Drehzahlbereich.
• L e e r s e i t e

Claims (18)

1. Patentansprüche 1. Schrittmotor, mit einem Permanentmagnetrotor und einem aus Blechstanzteilen axial geschichteten Stator, der in Nuten eingelegte Erregerwicklungen trägt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Stator aus in Umfangs richtung kreisringförmig zusammensetzbaren Blechsegmenten (1) geschichtet ist.
2. 2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Blechsegmente (1) auf ihrer dem Rotor zugekehrten Kante Polzähne (2) aufweisen, die den Schrittwinkel des Rotors festlegen, daß die Polzähne (2) um einen halben Zahnabstand oder ein ganzzahliges Vielfaches davon in Umfangs richtung gegen den das Blechsegment (1) halbierenden Segmentradius versetzt sind und daß die Blechsegmente (1) in Umfangsrichtung abwechselnd auf der Blechvorderseite bzw. der Blechrückseite liegend kreisringförmig zusammengesetzt geschichtet sind.
3. 3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Blechsegmente (1) an ihren in Umfangs richtung einander zugekehrten Stirnkanten Ausnehmungen oder Ansätze aufweisen, die bei geschichtetem Stator miteinander fluchten und daß in die miteinander fluchtenden Ausnehmungen oder auf die miteinander fluchtenden Ansätze axial sich erstreckende Verbindungsstangen (5) eingesetzt bzw. aufgesetzt sind.
4. 4. Schrittmotor nach Anspruch 3, dadurch g e k enn z e i c h -n e t , daß die Querschnittsform der Verbindungsstangen (5) der Form der geschichteten, miteinander fluchtenden Ausnehmungen bzw. Ansätze angepaßt ist.
5. 5. Schrittmotor nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Ausnehmungen oder die Ansätze Schwalbenschwanzform haben.
6. 6. Schrittmotor nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Ausnehmungen Trapezform haben.
7. 7. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an den Enden der Verbindungsstangen (5) Motorabdeckungen (7) angeschraubt sind, die in den Rotorraum des Stators eingreifen.
8. 8. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß an den in den Rotorraum eingreifenden Teilen der Motorabdeckungen (7) Lager (8) für den Rotor gehalten sind.
9. 9. Schrittmotor nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine der Motorabdeckungen (7) einen Klemmenkasten (lo) für den elektrischen Anschluß des Schrittmotors trägt.
10. 10. Schrittmotor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anzahl der in Umfangs richtung aufeinanderfolgenden Blechsegmente (1) gleich der Phasenzahl des Schrittmotors ist.
11. 11. Schrittmotor insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, mit einem Rotor, welcher wenigstens zwei axial nebeneinander angeordnete, in axialer Richtung magnetisierte und mit Polschuhen versehene Permanentmagnete aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß in axialer Richtung des Rotors aufeinanderfolgende Permanentmagnete (20) jeweils in entgegengesetzter axialer Richtung magnetisiert sind, so daß sich gleiche Magnetpole (19) axial gugenüberliegen.
12. 12. Schrittmotor nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Polschuhe (21) axial aufeinanderfolgender Permanentmagnete (20) aneinander anliegen.
13. 13. Schrittmotor insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß jede Erregerwicklung aus mehreren, parallel in die Nut bzw. Nuten der Erregerwicklung eingebrachten Einzelwicklungen besteht.
14. 14. Schrittmotor nach Anspruch 13, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Enden der Einzelwicklungen getrennt aus jeder Erregerwicklung herausgeführt sind und daß die Einzelwicklungen außerhalb der Erregerwicklung insbesondere mittels einer Steuerschaltung zueinander in Serie oder zueinander parallel schaltbar sind oder in zueinander parallel geschalteten Einzelwicklungsgruppen in Serie schaltbar sind oder in zueinander in Serie geschalteten Einzelwicklungsgruppen parallel schaltbar sind.
15. 15. Schrittmotor nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Einzelwicklungen derselben Erregerwicklung in Serie und/oder parallel geschaltet sind.
16. 16. Schrittmotor nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Einzelwicklungen verschiedener Erregerwicklungen in Serie und/oder parallel geschaltet sind.
17. 17. Schrittmotor nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß jeder Einzelwicklung oder jeder Einzelwicklungsgruppe eine eigene, der Einzelwicklung bzw. der Einzelwicklungsgruppe einen Erregstrom bzw. eine Erregerspannung zuführende Steuerschaltung zugeordnet ist.
18. 18. Schrittmoter nach einem der AnsprUche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Jede Erregerwsoklung aus mehreren, parallel gewickelten Einzeldrähten besteht, von denen Jeder eine Einzelwicklung bildet.