DE2903295A1 - AC servomotor for e.g. electronic typewriter - has permanent magnet strips on cup rotor with stator assembled by laminations, brushes and commutators - Google Patents
AC servomotor for e.g. electronic typewriter - has permanent magnet strips on cup rotor with stator assembled by laminations, brushes and commutatorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselstrom-Servo-The invention relates to an AC servo
motor für hochdynamische Antriebe Hochdynamische Servomotors werden auf vielen Gebieten der Automatisierungstechnik und bei elektronischen Schreib-und Druckwerken sowie magnetischen Speichersystemen benötigt Es ist bereits bekannt, für hochdynamische Antriebe Gleichstrom-Scheibenläufermotore zu verwenden, bei denen im Luftspalt einer Permanentmagnet-Anordnung eine nach Art der gedruckten Schaltungen ausgebildete, mit Leitungerzügen versehene Scheibe rotiert, wobei die Leiterzüge die Ankerwicklung bilden. Zur Erzeugung des Permanentmagnetfeldes sind zu beiden Seiten der Scheibe bis zu etwa 20 Permanent magnete erforderlich Der auf der Scheibe angeordneten Wicklung wird über Bürsten und einen Kommutator ein Gleichstrom zugeführt; das Bürsten-Kommutatorsystem unterliegt durch Reibung und Funkenbildung einer Abnutzung (Zeitschrift "Engineering", März 1975, S. 199 - 202).motor for highly dynamic drives become highly dynamic servo motors in many areas of automation technology and in electronic writing and Printing units as well as magnetic storage systems are required It is already known to use DC disc motors for highly dynamic drives where in the air gap of a permanent magnet arrangement one of the type of printed circuits trained, provided with conductor trains disc rotates, wherein the conductor tracks form the armature winding. Both of them are used to generate the permanent magnetic field Sides of the disc up to about 20 permanent magnets required on the disc arranged winding is supplied with a direct current via brushes and a commutator; the brush commutator system is subject to wear from friction and sparking (Engineering Journal, March 1975, pp. 199-202).
Es sind auch Gleichstrom Servomotoren bekannt, bei denen ebenfalls ein eisenioser Läufer verwendet wird, der in Form einer selbsttragenden glockenförmigen Wicklung mit spezieller Wickelart ausgebildet ist, der im Luftspalt zwischen einem Permanentmagneten und dem als magnetischer Rückschluß wirkenden Motorgehäuse rotiert. Zur Glcichst romzufiihrung für die Wicklung sind ebenfalls im Werkstoff und konstruktiv ein speziell ausgebildeter Kommutator und Bürsten erforderlich.There are also DC servomotors known in which also an iron runner is used, which is in the form of a self-supporting bell-shaped Winding with a special type of winding is formed in the air gap between a Permanent magnets and that as a magnetic return path acting Motor housing rotates. For direct current supply for the winding are also A specially designed commutator and brushes are required in terms of material and design.
Um den auftretenden Fliehkräften zu widerstehen, muß die aus dünnem Kupferdraht bestehende Wicklung einem Verfestigungsprozeß unterworfen werden. Wegen des Wechselflusses in der Wicklung kann ein metallischer Träger (Wirbelstromverluste) nicht verwendet werden (Druclcschrift "escap", Gleichstrom-Servomotoren, Jan. 1977). Beim Einsatz derartiger Gleichstrom Servomotoren für Positionierullgsaufgaben benötigen diese stets einen Lageregelkreis.In order to withstand the centrifugal forces that occur, the must be made of thin Copper wire existing winding are subjected to a solidification process. Because of the alternating flux in the winding can be a metallic carrier (eddy current losses) cannot be used (printed "escap", DC servo motors, Jan. 1977). When using such direct current servomotors for positioning tasks this always a position control loop.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hochdynamischen Servomotor zu schaffen, bei dem Wicklungen für den Läufer sowie ein Kommutator-Bürstensystem nicht erforderlich sind und der auch ohne Lageregelkreis für Positionierungsaufgaben einsetzbar ist.The invention is based on the object of a highly dynamic servomotor to create the windings for the rotor and a commutator brush system are not required and even without a position control loop for positioning tasks can be used.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.This object is achieved according to the invention by the features in the characterizing part of the claim 1 specified measure solved.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Motor keinen Kommutator hat, daß er wegen des kleinen Trägheitsmomentes des Rotors gute dynamische Eigenschaften aufweist und daß die Möglichkeit besteht, diesen als Synchron- oder Schrittmotor zu betreiben, daß der Motor als Positionierungsantrieb ohne und mit Stellungsrückmelden verwendet werden kann und daß die drei Haupt teile des Motors, nämlich Stator mit Wicklung1 Läufer und magnetischer Rückschluß sehr einfach herstellbar sind und für den Träger der Streifenmagneten kann ein eine hohe Formstabilität ergebender Metallbecher verwendet werden, in welchem keine Wirbelströme erzeugt werden.The advantages achieved by the invention are, in particular, that the motor does not have a commutator, that it has a small moment of inertia of the rotor has good dynamic properties and that there is the possibility of to operate this as a synchronous or stepper motor that the engine can be used as a positioning drive with and without position feedback and that the three main parts of the motor, namely stator with winding1 and rotor magnetic yoke are very easy to produce and for the carrier of the strip magnets a metal cup giving high dimensional stability can be used in which no eddy currents are generated.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. l den Aufbau des erfindungsgemäßen Motors in auseinandergezogener Darstellung, Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Motores, Fig. 3 eine weitere Motorausbildung im Schnitt, Fig. 4 eine elektronische Schaltung zur Steuerung des Motors.The invention is illustrated schematically below with reference to in the drawing illustrated embodiments explained in more detail. FIG. 1 shows the structure of the engine according to the invention in an exploded view, FIG. 2 is a sectional view of the motor, FIG. 3 shows a further motor design in section, FIG. 4 shows an electronic one Circuit for controlling the motor.
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, umfaßt der Motor einen üblichen ringförmigen Stator l, dem eine erste übliche Lagerschale 2 zugeordnet ist, einen Läufer 3, der mit einer Welle 4 verbunden ist, und einen stabförmigen ferromagnetischen Kern 5 mit einer zweiten üblichen Lagerschale 6.As can be seen from Fig. 1, the motor comprises a conventional annular one Stator 1, which is assigned a first conventional bearing shell 2, a rotor 3, the is connected to a shaft 4, and a rod-shaped ferromagnetic core 5 with a second conventional bearing shell 6.
Der Teil l besteht aus einem lamellierten Stator-Blechpaket 7 mit einer aufgebrachten mehrsträngigen Erregerwicklung 8; er kann eine beliebige Anzahl von Polen aufweisen. Die Lagerschale 2 kann durch Schrauben mit dem Eisenlcern 7 verbunden sein.The part l consists of a laminated stator laminated core 7 with an applied multi-strand excitation winding 8th; he can do one have any number of poles. The bearing shell 2 can be screwed with be connected to the iron core 7.
Der in dem Ringspalt 9 rotierende Läufer 3 ist becherförmig ausgebildet, wobei der Becherboden 10 mit der Motorwelle 4 verbunden ist; der becherförmige Läufer 3 kann beispielsweise aus dünnwandigem Stahl bestehen und er trägt auf der Innenseite eine Mehrzahl von streifenförmigen Permanentmagneten 11 mit hohem Energieprodukt und hoher Koerzitivfeldstärke, deren Werkstoff beispielsweise aus Kobalt und seltenen Erden, wie Samarium-Kobalt besteht. Die Der manetmagnete 11 erstrecken sich parallel zur Richtung der Welle 4.The rotor 3 rotating in the annular gap 9 is cup-shaped, wherein the cup base 10 is connected to the motor shaft 4; the cup-shaped runner 3 can for example consist of thin-walled steel and it carries on the inside a plurality of strip-shaped permanent magnets 11 with high energy product and high coercive field strength, their material, for example, cobalt and rare Earth like samarium cobalt is made. The manetmagnete 11 extend parallel to the direction of the shaft 4.
Die Anzahl der Magnete II ist auf die Zahl der Stränge der Erregerwicklung 8 abgestimmt und die Magnete sind abwechselnd entgegengesetzt magnetisiert.The number of magnets II is based on the number of strands of the excitation winding 8 and the magnets are alternately magnetized in opposite directions.
Der Stahlbecher 3 niont die von den Magneten 11 auftretenden Fliehkräfte auf und überträgt das Drehmoment auf die Welle 4.The steel cup 3 eliminates the centrifugal forces generated by the magnets 11 and transmits the torque to the shaft 4.
Der Stahlbecher kann innen auch mit dem Magnetwerkstoff beschichtet und dieser dann entsprechend mehrpolig magnetisiert werden. Anstelle des Stahlbechers mit innen angeordneten SmCo5-Magneten kann auch ein Becher verwendet werden1 der aus einem Zweischichtenwerkstoff aus verpreßtem und gesintertem Fe-Pulver und SmCo5-Pulver besteht, wobei die Innenschicht die streifenförmigen SmCo5-Zonen aufweist.The inside of the steel cup can also be coated with the magnetic material and these are then magnetized accordingly with multiple poles. Instead of the steel cup With SmCo5 magnets arranged inside, a cup can also be used1 der made of a two-layer material made of pressed and sintered Fe powder and SmCo5 powder is made up, the inner layer being the strip-shaped Has SmCo5 zones.
5 Der stabförmige Kern 5 ist lamelliert und mit einer Bohrung 12 für den Durchgang der Motorwelle 4 versehen. Der Eisenkern 5 ist mit einer weiteren üblichen Lagerschale 6 in geeigneter Weise verbunden und er dient als magnetischer Rückschluß. 5 The rod-shaped core 5 is laminated and has a bore 12 for the passage of the motor shaft 4. The iron core 5 is with another usual bearing shell 6 connected in a suitable manner and it serves as a magnetic Conclusion.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, rotiert der becherförmige Läufer 3 im Luftspalt zwischen dem Stator 1 und dem stabförmigen Kern 5, der in den Läufer 3 bis in Nähe des Bodens 10 ragt. Der Läufer 3 kann auch nur einseitig gelagert sein.As can be seen from Fig. 2, the cup-shaped rotor 3 rotates in Air gap between the stator 1 and the rod-shaped core 5, which is in the rotor 3 protrudes up to the vicinity of the bottom 10. The rotor 3 can also only be supported on one side.
Die Fig. 3 zeigt einen Motor, bei welchem der feststehende Stator l mit Wicklung 8 innen liegt und vom becherförmigen, mit Permanentmagneten 1-1 ausgerüsteten Element 3 umgeben ist, während der magnetische Rückschluß 5 ringförmig ausgebildet ist und außen liegt.Fig. 3 shows a motor in which the fixed stator l with winding 8 is inside and from the cup-shaped, equipped with permanent magnets 1-1 Element 3 is surrounded, while the magnetic yoke 5 is annular is and is outside.
Bei Erregung entsprechender Gruppen der Statorwicklung 8 entsteht ein Drehfeld; das becherförmige polarisierte Magnet-Element 3 läuft synchron mit dem erzeugten Drehfeld mit.When corresponding groups of the stator winding 8 are excited a rotating field; the cup-shaped polarized magnet element 3 runs synchronously the generated rotating field with.
Vorteilhaft wird der Synchronmotor als Schrittmotor betrieben. Werden die Gruppen der Erregerwicklung 8 ein- und ausgeschaltet, dann springt das Drehfeld und es entsteht ein Schrittmotorvcrhalten.The synchronous motor is advantageously operated as a stepper motor. Will the groups of the excitation winding 8 switched on and off, then the rotating field jumps and there is a stepper motor behavior.
Entsprechend der vorgesehenen Polzahl wird der Motor entsprechende Schritte machen. Durch Dosierung der Erregerströme (Stufenströme) können weitere Zwischenschritte erzeugt werden, wie anhand der Fig. 4 näher er'äutert wird.The motor is designed according to the number of poles provided Take steps. By metering the excitation currents (step currents) further Intermediate steps are generated, as will be explained in more detail with reference to FIG.
Dargestellt ist lediglich ein einzelner Wicklungsstrang 8 des Motors, Angenommen ist, daß die Stränge nur in einer Richtung durchflutet werden, so daß parallel zum Wicklungs strang 8' eine Freilaufdiode 13 angeordnet ist; zwecks besserer Wicklungsausnutzung kann auch eine Brückenschaltung verwendet werden, so daß die Wicklungsstränge in beiden Richtungen durchflutet werden.Only a single winding phase 8 of the motor is shown, It is assumed that the strands are only flooded in one direction, so that a freewheeling diode 13 is arranged parallel to the winding strand 8 '; for the sake of better Winding utilization, a bridge circuit can also be used so that the Winding strands are flooded in both directions.
Der Strangstrom wird mittels eines Widerstandes 14 (Shunt) in eine Spannung umgesetzt, die einem Eingang eines rückgekoppelten Operationsverstärkers 15 mit monostabilem Kippverhalten zugeführt ist, der einen Leistungs-Transistor 16 steuert. Der Emitter des Transistors 16 ist mit dem Pluspol einer Speisequelle 17 und der Kollektor mit dem Wicklungsstrang 8' verbunden, während der Widerstand 14 mit dem Minuspol der Speisequelle 17 verbunden ist. Die Elemente 14 bis 17 bilden einen Stromregler.The phase current is converted into a by means of a resistor 14 (shunt) Voltage converted to an input of a feedback operational amplifier 15 is supplied with a monostable flip-flop, which has a power transistor 16 controls. The emitter of transistor 16 is connected to the positive pole of a supply source 17 and the collector connected to the winding phase 8 ', while the resistor 14 with the Negative pole of the supply source 17 is connected. The Elements 14 to 17 form a current regulator.
An den anderen Eingang des Operationsverstärkers ist eine Spannung angelegt, durch welche die Stromamplitude vorgegeben wird. Diese Spannung wird von einem Digital-Analog-Umsetzer i8 erzeugt, auf welchen ein durch ein jeweiliges Adressensignal 20 aufgerufener Zahlenwert eines Speichers i8 übertragen wird. Die Umsetzungsfunktion des Adressensignals in einen Stromwert kann im Rahmen der Kapazität des Speichers 19 und des Digital-Analog-Umsetzers 18 für jedes Adressensignal beliebig gewählt werden.There is a voltage at the other input of the operational amplifier applied, through which the current amplitude is specified. This tension is from a digital-to-analog converter i8 generated, on which a by a respective address signal 20 called numerical value of a memory i8 is transmitted. The implementation function the address signal into a current value can within the capacity of the memory 19 and the digital-to-analog converter 18 are selected as desired for each address signal will.
Die Adressensignale 20 können beispielsweise aus einem digitalen Geschwindigkeits- und/oder Lageregelkreis gebildet sein, wobei die Position der Motorwelle 4 durch einen inlcrementalen Wirikelgeber erfaßt wird.The address signals 20 can, for example, from a digital speed and / or position control loop be formed, the position of the motor shaft 4 by an incremental vortex encoder is detected.
Für jeden Strang des Servomotors ist die Steuereinrichtung nach Fig. 4 vorgesenen.For each strand of the servomotor, the control device according to Fig. 4 featured.
Eine Verringerung des Aufwandes ist möglich, indem eine gemeinsame Spannungsquelle 17 verwendet wird und der Speicher 19 und Digital-Analog-Umsetzer in Multiplex-Technik arbeiten.A reduction in effort is possible by making a joint Voltage source 17 is used and the memory 19 and digital-to-analog converter work in multiplex technology.
Die Belegung des Speichers 19 kann derart gewählt werden, daß aus dem gegebenen Verlauf des Adressensignals 20 ein Drehfeld im Motor erzeugt wird, dessen Feldvektor sich entsprechend der Auflösung des Digital-Analog-Umsetzers 18 in feine Stufen in äquidistanten Schritten dreht und dabei den Rotor 3 mitnimmt. Durch Feldverteilung bedingte Nichtlinearitäten des Motors können hierbei über die Speicherbelegung kompensiert werden.The occupancy of the memory 19 can be selected such that from the given course of the address signal 20 a rotating field is generated in the motor, whose field vector varies according to the resolution of the digital-to-analog converter 18 rotates in fine steps in equidistant steps and takes the rotor 3 with it. The motor non-linearities caused by the field distribution can be controlled via the Memory occupancy can be compensated.
Es ergibt sich somit ein elektromotorisches Positionierungs system hoher Dynamik, dessen Auflösung einem hochpoligen Schrittmotor entspricht, wobei die Nachteile des Schrittmotors, wie Gefahr von Schrittverlusten durch Überschwingen, stoßartige Drehbewegung, niedrige Schrittfrequenz, verrnieden sind.The result is an electromotive positioning system high dynamics, the resolution of which corresponds to a multi-pole stepper motor, whereby the disadvantages of the stepper motor, such as the risk of step losses due to overshoot, jerky rotary motion, low step frequency, are avoided.
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1979
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