DE2940449C2 - Elektrischer Schrittmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem aus der US-PS 34 11059 bekannten Schrittmotor dieser Art sind sechs Permanentmagnete vorgesehen. Der Stator weist zwölf Polstäbe auf, die in alternierender Reihenfolge in zwei Statorwicklungen eingeschaltet sind, die unabhängig voneinander erregbar sind, wobei bei abwechselnder Erregung der beiden Statorwicklungen zu jedem Zeitpunkt die Hälfte der Statorpole am Antrieb des Schrittmotors teilnimmt und der Rotor bei jedem Schritt um einen dem Winkelabstand zwischen zwei Statorpolen entsprechenden Abstand gedreht wird.

Aus der GB-PS 11 86 838 ist ein Schrittmotor bekannt, bei dem der Rotor ein einziges Polpaar aufweist wobei Nordpol und Südpol einander diametr.! gegenüberliegen. Die Polarisation erfolgt somit längs eines Durchmessers des Motors.

Aus der CH-PS 5 01 330 ist ein Schrittmotor bekannt, bei dem sich eine gleichstromerregte Wicklung in gleichförmiger Weise nacheinander über sämtliche Sta-

ij torpole erstreckt Ferner sind die Statorpole zusätzlich jeweils noch mit einer wechselstromerregten Wicklung versehen, wobei die Statorpole in zwei Gruppen aufgeteilt sind und die diesen Gruppen zugeordneten Wicklungen eine Symmetrie bezüglich einer Durchmesserebene aufweisen. Die zusätzlichen wechselstromerregten Wicklungen verlaufen nicht in regelmäßig alternierender Reihenfolge durch die Nuten des Stators.

Aus der DE-OS 22 22 097 ist ferner ein Schrittmotor bekannt dessen Stator Wicklungen aufweist die jede zweite Statornut durchsetzen und von Stromimpulsen durchflossen werden, deren jeweilige Richtung so gewählt ist, daß sich daraus eine Drehung der von ihnen erzeugten Nord- und Südpole ergibt. Diese Wicklungen sind jedoch nicht alle unabhängig voneinander. Sie sind in zwei Gruppen von jeweils zwei Wicklungen angeordnet, die jeweils von zwei Impulsstromquellen gespeist werden, wobei beide Wicklungen jeder Gruppe parallel mit der entsprechenden lmpulsstromqueile verbunden sind. Über die Ausbildung des Rotors des Schrittmotors ist in der DE-OS 22 22 097 nichts gesagt. Wenn auch bei diesem Schrittmotor alle Wicklungen gespeist und bei jedem Stromimpuls alle Pole verwendet werden, so liefert doch die Anordnung und die impulsförmige Speisung der Wicklungen nicht eine alternierende Reihenfolge der einzelnen Nord- und Südpoie. Im Betrieb des in der DE-OS 22 22 097 beschriebenen Schrittmotors zeigt sich, daß die Pole magnetisch paarweise gruppiert sind. Der Schrittmotor arbeitet somit nicht wie ein Motor mit acht Polen, sondern wie ein Motor mit vier fiktiven Polen, wobei jeder fiktive Pol aus zwei reellen Polen besteht.

Aus der DE-PS 6 99 236 ist der Rotor eines Elektromotors mit Permanentmagneten bekannt, bei dem sich diese sternförmig in radialer Richtung zwischen Weicheisenteilen derart erstrecken, daß gleichnamige Pole zweier einander benachbarter Magnete einander gegenüberliegen. Über die Ausbildung des Stators ist in dieser Druckschrift nichts ausgesagt.

Ausgehend von einem Schrittmotor der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Gleichlauf eines derartigen Schrittmotors, das Verhältnis von Leistung zu Volumen sowie sein Antriebsmoment zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Schrittmotor führt der Rotor jeweils nur Halbschritte aus, wobei die Schraubenform der Nuten bzw. der im Rotor angeordneten Permanentmagnete dafür sorgt, daß diese Hsibschritte jeweils in eine stabile Lage führen. Die Anzahl der Nuten pro Pol und Strang ist gleich 1, wobei die Erregung mit einer Stromflußdauer von 150° erfolgt. Dank der

erfindungsgemäßen Ausbildung des Schrittmotors v/eist dieser eine Drehmomentkennlinie in Abhängigkeit der Geschwindigkeit auf, die sehr wenig abnimmt, während die Leistungskennlinie in Abhängigkeit der Geschwindigkeit in dem normalen Arbeitsbereich zunimmt Daraus ergibt sich ein außerordentlich hoher Wert des Verhältnisses von Leistung zu Volumen, der bei den Schrittmotoren herkömmlicher Bauart nicht erhalten werden konnte.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den Figuren die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen achsnormalen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Schrittmotor,

F i g. 2 eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht des erfindungsgemäßen Schrittmotors,

F i g. 3 einen Teil der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab, wobei die Feldlinienverteilung des Magnetfeldes um den Rotor dargestellt ist,

F i g. 4 ein Schema der Speisung der Wicklungen des Motors gemäß den F i g. 1 bis 3 mit elektrischem Strom,

F i g. 5A bis 5L schematische Darstellungen des schrittweisen Fortschreitens der in dem Stator trzeugten Magnetfelder und

F i g. 6 und 7 Kennlinien des erfindungsgemäßen Motors.

In den F i g. 1 und 2 erkennt man einen Motor 101 umfassend ein feststehendes Außenteil 102, welches von einem einen Stator 104 umgebenden Gehäuse 103 gebildet ist.

Der Stator 1Ö4 besteht aus einem Stapel von Siechen, die derart ausgestanzt sind, daß sie innen in alternierender Reihenfolge eine Reihe von Zähnen 105 und Nuten 106 aufweisen. Bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Beispiel beträgt die Anzahl der Zähne und Nuten 24.

Der Stator 104 ist mit einer Dreiphasen-Wicklung 107 versehen, die aus drei Einzelwicklungen besteht, die elektrisch voneinander unabhängig sind. Die Einzelwicklungen f'nd in den Nuten 106 derart angeordnet, daß jede von ihnen jeweils jede dritte Nut durchläuft. Im übrigen werden sie in einer bestimmten Art und Weise gespeist, wie dies später noch genauer beschrieben wird. Die die Einzelwicklungen durchlaufenden Ströme erzeugen in alternierender Reihenfolge Nord- und Südpole.

Innerhalb des Stators 104 befinden sich ein Rotor 108, der auf einer Welle 109 verkeilt ist. Der Rotor besteht aus einer Polmasse 110 aus Weicheisen, die mit radial verlaufenden Hohlräumen 111 versehen ist. In den Hohlräumen 111 sind Permanentmagnete 112 angeordnet, im vorliegenden Fall acht an der Zahl. Die Wahl des die Permanentmagneten bildenden Materials (Ferrite, die aus seltenen Erden wie Samarium-Kobalt) bestehen hängt von den für den Motor gewünschten Eigenschaften ab.

Die Polarisation jedes Magneten verläuft quer. d. h. senkrecht zu einer durch die Achse der Welle 109 und den Mittelpunkt des jeweiligen Permanentmagneten verlaufenden Ebene. Die Permanentmagnete 112 sind derart angeordnet, daß die gleichartigen Pole zweier einander benachbarter Permanentmagnete einander gegenüberliegen.

In der Fig.3 ist die Verteilung der magnetischen Feldlinien 113 dargestellt, die sich aus dieser Anordnung der Permanentmagnete 112 ergibt: Die Feldlinien zweier einander benachbarter Permanentmagnete addieren sich und erzeugen ein resultierendes Feld, das längs der Winkelhalbierenden zwischen zwei einander benachbarten Permanentmagneten zentriert ist.

Auf diese Weise stellt sich der Rotor 108 derart ein, daß beispielsweise einer der Bereiche maximaler FeIdstärke an einem Südpol gegenüber einem Zahn 105 des Stators 104 liegt, an dem sich der Nordpol eines magnetischen Feldes befindet, d. h„ daß sich die Mitte des Zwischenraumes zwischen zwei Südpolen einander benachbarter Permanentmagnete 112 des Rotors 108 in Gegenüberstellung zu einem Zahn 105 des Stators 104 befinden.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 4 und 5A bis 5L soll nun die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Motors erläutert werden.

Die F i g. 4 zeigt die Änderung der Ströme, die in den Einzelwicklungen a, b und c der Statorwicklung während einer Folge von Schritten A, B, C... L fließen.

Die F i g. 5A bis 5L (die Buchstaben A bis L entsprechend den Schritten A bis L in der Fig.4) zeigen in schematiscber Weise und aufgefaltet die Statorwicklung, wobei jede Einzelwicklung a.bv ..' c aus Gründen der bessereti Übersicht auf ihre ietzto· Windung beschränkt ist, die offen ist. In den F i g. 5A bis 5L sind die Zähne des Stators 104 mit den Ziffern 1 bis 24 bezeichnet, wobei nur die ersten 13 dargestellt sind. Die entsprechen ?en Nuten sind mit den Ziffern Γ, 2'. ... bezeichnet, wobei sich die Nut Γ zwischen den Zähnen 1 und 2, die Nut 2' zwischen den Zähnen 2 und 3 usw. befindet

Die elektrische Speisung der drei Einzdwicklungen a, b und cerfolgt derart, daß der in einer Einzelwicklung in einer bestimmten Richtung fließende Strom verschwindet, danac^h i't Richtung ändert und dies zyklisch für die drei Einzelwicklungen.

Während des Schrittes A fließen die drei Ströme in den drei Einzelwicklungen a, b und c in der gleichen Richtung, beispielsweise in positiver Richtung, wie dies in Fig.4 für den Schritt A dargestellt ist. Auf diese Weise erzeugt entsprechend den allgemeinen Regeln des Elektromagnetismus die durch die Nuten Γ und 4' verlaufende offene Windung der Einzelwicklung a entsprechend F i g. 5A einen Nordpol mit dem Zentrum am Zahn 3. Die durch die Nuten 2' und 5' verlaufende offene Windung der Einzelwicklung b erzeugt einen Nordpol mit dem Zentrum im Zahn 4. Die durch die Nuten 3' und 6' verlaufende offene Windung der Einzelwicklung c schließlich erzeugt einen Nordpol mit dem Zentrum im Zahn 5. Für die gesamte Anordnung resultiert daraus ein Nordpol mit dem Mittelpunkt im Zahn 4.

In der gleichen Weise erzeugt die durch die Nuten 4' und T verlaufende offene Windung einen Südpol mit dem Zentrum im Zahn 6. Die durch die Nuten 5' und 8' verlaufende Windung erzeugt einen Südpol mit dem M-'.tel^uukt im Zahn 7. während die durch die Nuten 6' und 9' verlaufende Windung einen Südpol mit dem Zentrum im Zahn 8 erzeugt. Hierauf ergibt sich für die gesamte Anordnung ein Südpol, der seinen Mittelpunkt im Zahn 7 hat.

Man erkennt, <]pß an jedem dritten Zahn ein Pol (Nordpol oder Südpol) auftritt. Fs gibt folglich ach* Pole, die auf den Umfang des Stators verteilt sind.

Währenddes folgenden Schrittes 3 verschwindet der Strom in der Einzelwicklung a, während die Ströme in den Einzelwicklungen b und c in der gleichen Richtung weiterfließen (F i g. 4. Schritt B). Demgemäß erzeugt die durch die Nuten 1' und 4' verlaufende offene Windung der Einzelwicklung a kein elektrisches Feld. Nur die offenen Windungen der Einzelwicklungen b und c, die

durch die Nuten 2' und 5' bzw. 3' und 6' verlaufen, erzeugen Nordpole in den Zähnen 4 bzw. 5.

Es ergibt sich damit für die Gesamtanordnung ein Nordpol, der im Intervall zwischen den Zähnen 4 und 5, d. h. in der Nut 4'zentriert ist.

Damit haben sich zwischen den Schritten A und B alle Pole um ein Halbintervall zwischen zwei Nuten vorwärts bewegt.

Während des Schrittes C fließt wieder ein Strom in der Einzelwicklung a, jedoch in entgegengesetzter Richtung zur Richtung des während des Schrittes A fließenden Stromes. Die Ströme in den Einzelwicklungen b und c fließen weiterhin in der gleichen Richtung wie während des Schrittes S(F i g. 4, Schritt C).

Entsprechend der Fig. 5C ergibt sich damit, daß die durch die Nuten 4', 2' und 3' einerseits und 7', 5' und 6' andererseits verlaufenden offenen Windungen der Einzelwicklungen a. b und c von gleichgerichteten Strömen durchflossen werden, die für die gesamte Anordnung einen um den Zahn 5 zentrierten Nordpol erzeugen. Demzufolge sind zwischen den Schritten Bund Cwiederum alle Pole um ein Halbintervall zwischen zwei Nuten fortgeschritten.

Während des Schrittes D verschwindet der in der Einzelwicklung b fließende Strom, während die Ströme in den Einzelwicklungen a und c weiter in der Richtung fließen, der sie auch während des Schrittes C folgten. Daher sind die in den Einzeiwicklungen a und c fließenden Ströme einander entgegengerichtet (F i g. 4, Schritt D).

Aufgrund der gk.chen Begründung wie vorher stellt man fest, daß in Fig. 5D die durch die Nuten 4' und 3' einerseits und T und 6' andererseits verlaufenden offenen Windungen der Wicklungen a und c für die gesamte Anordnung einen Nordpol erzeugen, der im Intervall zwischen den Zähnen 5 und 6, d. h. in der Nut 5' zentriert ist.

"Während des folgenden Schrittes E Rießt wiederum ein Strom in der Einzelwicklung b, jedoch mit zur Richtung während der Schritte A bis C entgegengesetzter Richtung. Dagegen behalten die Ströme in den Einzelwicklungen a und c jeweils ihre Richtung bei (Fig.4, Schritt E).

Hieraus ergibt sich in der F i g. 5E, daß alle Pole wiederum um ein Halbintervall zwischen den Nuten fortgeschritten sind und daß beispielsweise der vorher betrachtete Nordpol nun um den Zahn 6 zentriert ist.

In der gleichen Weise verschwindet nun der Strom in der Einzelwicklung c während des Schrittes F und ändert hierauf seine Flußrichiung während des Schrittes C. während die Ströme in den EinzelwickJungen a und b ihre während des Schrittes feingehaltene Flußrichtung beibehalten.

Das hat zur Folge, daß die Pole wiederum jeweils um ein Halbintervall zwischen zwei Nuten fortschreiten und daß somit der während des Schrittes £um den Zahn 5 zentrierte Nordpol während des Schrittes F mit seinem Mittelpunkt in der Nut 6' und während des Schrittes C mit seinem Mittelpunkt im Zahn 7 liegt

Während des Schritte« H verschwindet der in der Einzelwicklung a fließende Strom wieder. Danach erscheint er wieder während des Schrittes /, jedoch mit umgekehrter Flußrichtung, so daß er wieder in der gleichen Richtung fließt wie während des Schrittes A.

Hierauf verschwindet der Strom in der Einzelwickiung b (Schritt // der dann seine Fiußrichtung ändert (Schritt K).

Schließlich verschwindet der Strom in der Einzelwicklung c(Schritt L).

Bei jedem Schritt schreiten die Nord- und Südpole um ein Halbintervall zwischen zwei Nuten fort. Schließlich befindet sich der Nordpol, der anfangs um den Zahn 4 zentriert war, nun mit seinem Mittelpunkt in der Nut 9'.

In einem auf den Schritt L folgenden Schritt M ändert der Strom in der Einzeiwicklung c wiederum seine Richtung und wird positiv, so daß der Schritt M identisch mit ίο dem Schritt A ist: Es tritt wiederum die Anfangsverteilung der Nord- und Südpole auf.

Dank dieser Ausbildung des Motors führt der Rotor eine komplette Umdrehung aus, indem er jeweils ein Halbintervall zwischen zwei Nuten pro Schritt fortschreitet. Das heißt, daß er 48 Schritte für eine Umdrehung benötigt. Bei jedem Schritt führt er daher eine Drehung um 7° 30' aus.

Das Verhalten des erfindungsgemäßen Motors läßt sich aus den Kennlinien in den F i g. 6 und 7 ablesen, die für einen Rotor gelten, der mit Permanentmagneten aus Samarium-Kobalt (Sm(Co)i) gelten.

Die in den F i g. 6 dargestellten Kurven 201 bis 204 stellen die Startfrequenz, aufgetragen auf der Ordinate in Hz, als Funktion des Trägheitsmomentes der Last dar, das auf der Abszisse in gern² aufgetragen ist. Die Darstellung gilt jeweils für ein gegebenes Reibmoment. Die Kurven 201 und 204 entsprechend Reibmomenten von 0 mN.0,5 mN, 1 mN und 1,5 mN.

Für e«.· Reibmoment unter 1,5 mN und eine Last mit einem Trägheitsmoment von 5000 gern² kann der Motor beispielsweise direkt bei einer Frequenz von 250 Hz starten, d. h. mit 250 Schritt pro Sekunde.

In der Fig.7 stellen die Kurven 205 und 206 den Verlauf des Drehmomentes in kgcm bzw. den Verlauf der Leistung, ausgedrückt in W, in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit dar, die auf der Abszisse in Einheiten von Hz bzw. Umdrehungen pro Minute wiedergegeben ist

Man sieht, daß das Drehmoment bei Zunahme der Geschwindigkeit sehr wenig abnimmt und daß die Leistung mit wachsender Geschwindigkeit ständig zunimmt.

Diese Eigenschaften sind besonders günstig und erlauben es, Leistungs/Volumen-Verhältnisse für den erfindungsgemäßen Motor zu erhalten, die außerordentlich günstig sind und weit über den entsprechenden Werten für Schrittmotoren herkömmlicher Bauart liegen.
Um die Arbeitsweise des Motors noch weiter zu verbessern und der Funktion Drehmoment/Drehwinkel einen kontinuierlichen und zunehmenden Verlauf 7" geben, ist es wünschenswert, daß die Nuten und die Zähne des Stators gemäß einem Schraubenabschnitt gewunden sind und daß ihre axial einander entgegengesetzten Enden um einen Winkel gegeneinander versetzt sind, der einem Bewegungsschritt des Rotors entspricht, d. h. ¹As der Umdrehung der hier beschriebenen Ausführungsform.
Natürlich könnte diese Anordnung auch durch eine Ausführungsform ersetzt werden, bei welcher die Zähne und die Nuten geradlinig ausgeführt sind, jedoch die in dem Rotor angeordnete Permanentmagneten eine einem Schraubenabschnitt folgende Form aufweist.
In der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß der Stator drei Einzelwicklungen umfaßt, die jeweils acht alternierend aufeinanderfolgende Nord- und Südpole erzeugen, was einen Stator mit 24 Nuten voraussetzt

Auch wenn diese Anordnung besondere Vorteile bei der Herstellung zu bieten scheint, insbesondere hinsichtlich der Erzeugung der Nuten, so ist die Erfindung jedoch nicht auf einrn Motor beschränkt, der mit drei Wicklungen versehen ist. Es kann ebensogut eine von drei verschiedene Wicklungsanzahl η gewählt werden. Die Anzahl der Nord- bzw. Südpole beträgt dann 2 p. Wenn m?,! eine Schaltfolge der Ströme in den η Wicklungen analog zu der anhand der Fig.4 beschriebenen und dargestellten Stromschaltfolge beibehält, wobei mindestens π — 1 Wicklungen gleichzeitig gespeist werden, bleibt der Bewegungsschritt ein Halbintervall pro Nut und der Rotor führt eine vollständige Umdrehung in2 · (n ■ 2PJSChHUCnBUs,d.h.in4 npSchritten.

In einer noch allgemeineren Form kann die Schaltfol- is ge des Motors auch von der bisher vorausgesetzten Speisung der Wicklungen verschieden sein, wobei jedoch die Schaltfolge der Ströme für jede Wicklung und die Stromstärke dieser Ströme so gewählt werden sollte, daß der Motor in regelmäßigen oder pseudoregulären Schritten fortschreitet. Jede Wicklung ihrerseits wird somit von einem Strom durchflossen, der stufenförmig zwischen zwei Grenzwerten variiert, von denen der eine positiv und der andere negativ ist, und deren Absolutwert die nominale Stärke des Stromes ist. Diese Variation ist periodisch mit einer Periode von 2 jr/p. Die Anzahl der Schritte beträgt 2 n(q — 1) pro Periode, wobei q die Anzahl der Stufen der Stromstärke in einer Periode ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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35

40

50

eo

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Schrittmotor mit Permanentmagneten, umfassend einen Stator mit π unabhängigen Wicklungen, die jeweils von Strömen durchflossen werden, deren Richtungen in einer vorbestimmten Folge festgelegt sind, um 2 ρ fiktive Pole (Nord- und Südpole in alternierender Reihenfolge) zu erzeugen, die mit einem vorbestimmten Schritt drehend fortschreiten, und einen Rotor mit einem Weicheisenanker, der radial bezüglich der Rotorachse gerichtete Hohlräume aufweist in denen die Permanentmagnete angeordnet sind, wobei diese jeweils in einer Richtung senkrecht zu einer durch ihren Mittelpunkt und die Rotorachse verlaufende Ebene polarisiert sind und die Pole gleichen Vorzeichens zweier einander benachbarter Permanentmagnete einander gegenüberliegen, so daß der aus dem Rotor austretende oder in den Rotor eintretende Magnetfluß in der Mitte des ^wei aufeinanderfolgende Permanentmagnete voneinander trennenden intervalles konzentriert ist wobei ferner die Anzahl der Permanentmagnete des Rotors gleich der Anzahl der Statorpole ist und die Durchflutung infolge der die Wicklungen durchfließenden Ströme sich stufenförmig mit q Stufen im Durchflutungsveriauf. ^wischen zwei Grenzwerten ändern, von denen der eine positiv und der andere negativ ist und deren Absolutwert dem Nominalwert der Stärke des Stromes entspricht, und wobei die Änderung periodisch mit einer Periode 2 πΙρ mit 2 ., (q — X) Schritten pro Periode erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die η unabhängigen Wicklungen (a. b, c) jeweils durch eine von η im Stator (104) ausgebildeter Nuten (106) verlaufen, daß die Anzahl der Stufen im Durchflutungsverlauf drei beträgt, daß jeder Strom der zunächst in einer Richtung fließt, im darauffolgenden Schritt verschwindet und im danach folgenden Schritt seine Richtung umkehrt, wobei dieser Ablauf zyklisch in allen η Wicklungen erfolgt, so daß die Schrittweite des magnetischen Feldes ein Halbintervall zwischen zwei Nuten (106) beträgt und der Rotor (108) eine vollständige Umdrehung in 4np Schritten ausführt, und daß die Nuten (106) und die Zähne (105) des Stators (104) oder die indem Rotor (108) angeordneten Permanentmagnete (112) entsprechend einem Schraubenabschnitt geformt sind, dessen axial einander entgegengesetzte Enden um einen Winkelbetrag gegeneinander versetzt sind, dessen Wert der Schrittweite des Rotors (108) entspricht.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsanzahl drei beträgt, daß der Rotor (108) acht Permanentmagnete (112) umfaßt, daß der Stator (104) vierundzwanzig Nuten (106) aufweist und daß jeder Schritt '/₄s einer gesamten Umdrehung beträgt.