DE3049234C2

DE3049234C2 - Elektrischer Mehrphasen-Schrittmotor

Info

Publication number: DE3049234C2
Application number: DE3049234A
Authority: DE
Inventors: Claude Besancon Oudet
Original assignee: Portescap SA
Current assignee: Portescap SA
Priority date: 1979-12-27
Filing date: 1980-12-27
Publication date: 1986-10-30
Also published as: JPS56150964A; FR2472866A1; JPS6333382B2; DE3049234A1; CH637508A5; GB2067025A; GB2067025B; JPS61203862A; US4330727A; FR2472866B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Mehrphasen-Schrittmotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Schrittmotor dieser Art ist aus der DE-OS 16 38 244 bekannt. Bei diesem bekaanten Schrittmotor sind magnetische Einzelkreise vorgesehen, die magnetisch voneinander nicht getrennt sind. Dadurch weisen die magnetischen Einzelkreise eine Kopplung auf, die insbesondere bei einem Zwei- oder Mehrphasenbetrieb äußerst unerwünscht ist. Beim Mehrphasenbetrieb mit beispielsweise zwei gleichzeitig gespeisten Phasen, wobei die Polstücke benachbarter Einzelkreise oder gegebenenfalls Gruppen von Einzelkreisen von Magnetflüssen entgegengesetzter Richtung durchsetzt werden, kommt hinzu, daß sich der Fluß solcher benachbarter Einzelkreise über die Stirnseite des Gehäuses zwischen den entsprechenden Polstücken schließt. Eine weitere Kopplung kommt schließlich zustande, wenn mehrere Motorstufen mit den Stirnseiten der einzelnen Gehäuse aneinander anliegend zusammengebaut werden, da sich dann der Magnetfluß je nach Phasenlage ebenfalls über Polstücke und Gehäuseteile benachbarter Motorstufen schließt.

Aus der US-PS 33 92 293 ist ein Einphasen-Schrittmotor bekannt, der einen nicht magnetisierten Rotor aufweist. Bei diesem Schrittmotor sind auf jeder Seite des Rotors U-förmige Elektromagnete vorgesehen, wobei der Magnetfluß sich allein durch die axial gegenüberstehenden Magnete und den Rotor schließt. Die magnetischen Einzelkreise des Statorkreises sind jedoch auch hierbei über gemeinsame Jochplatten für die Polstücke der Elektromagnete miteinander verbunden, so daß eine Trennung der einzelnen magnetischen Kreise bei diesem Einphasenmotor nicht vorgesehen ist.

Aus der DE-OS 21 05 737 ist ein elektrischer Schrittmotor mit mehreren Phasen bekannt, der einen nichtmagnetisierten Rotor mit einer Vielzahl von Rotorzähnen und mehrerer im Querschnitt U-förmige Statorelemente mit ebenfalls einer Vielzahl von Statorzähnen aufweist. Rotorzähne und Statorzähne weisen die gleiche vorgegebene Teilung auf. Für jedes Statorelement mit mehreren Statorzähnen ist eine separate Spule vorgesehen. Auch bei diesem elektrischen Schrittmotor sind die magnetischen Einzelkreise nicht entkoppelt. Außerdem ist auch die Herstellung der Statorelemente mit der dortigen Anordnung der Spulen recht aufwendig. Auch der Platzbedarf für einen derartigen elektrischen Schrittmotor ist relativ hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mehrphasen-Schrittmotor der eingangs genannten Art zu sehaffen, bei dem die magnetischen Einzelkreise auf einfache Art entkoppelt sind, so daß sich ein besonders günstiges Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht und damit eine hohe Winkelbeschleunigung und sehr gute Schrittgenauigkeit ergibt. Außerdem soll der Schrittmotor einfach und wirtschaftlich herzustellen sein.

Ausgehend von einem Schrittmotor der in Rede stehenden Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demnach sind die magnetischen Einzelkreise des Mehrphasen-Schrittmotors auch innerhalb der einzelnen Phasen und phasenübergreifend auf einfache Weise magnetisch voneinander getrennt. Die Konzentration des Magnetflusses über die U-förmigen Statorteile und die Umschließung jeweils eines Schenkels der Statorteile mit einer Spule ermöglicht eine sehr gute Schrittgenauigkeit bei hoher Winkelbeschleunigung. Da die einzeinen magnetischen Kreise durch die besondere Ausbildung der Statorkreise sehr kurz ist, kanu auch der Verlust an magnetischer Energie auf ein Minimum reduziert werden. Der Motor bewirkt ferner eine sehr große Änderung des Arbeitspunktes der Rotormagneten in jedem magnetischen Einzelkreis, wodurch ein hohes Drehmoment bei relativ geringem Gewicht des Mehrphasen-Schrittmotors erzielt wird. Es läßt sich eine hohe Schrittzahl verwirklichen und die elektrische Zeitkonstante läßt sich sehr klein halten. Eine extrem geringe gegenseitige Induktion zwischen den Spulen der verschiedenen Phasen eines Mehrphasen-Schrittmotores gemäß der Erfindung trägt zu den guteD Betriebseigenschaften eines derartigen Motors bei. Außerdem ist durch die spezielle Ausgestaltung der Statorteile in Verbindung mit den Spulen der Motor einfach und wirtschaftlich herstellbar.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung nähe* erläutert, wobei

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Zweiphaien-Schrittmotors gemäß der Erfindung entlang der Linie I-I von Fig. 2 dargestellt,

Fig. 2 ein Schnitt durch den Motor entlang der Linie H-II von Fig. 1 ist, und

Fig. 3 schematisch einen magnetischen Einzelkreis ohne Spule, in Axialrichtung gesehen, zusammen mit einem entsprechenden Ausschnitt des scheibenförmigen Rotors darstellt.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schrittmotor weist ein scheibenförmiges Rotorteil 1 auf, welches mit Hilfe von zwei Trägerteilen 3, 4 mit einer Motorwelle 2 verbunden ist. Di« Trägerteile 3, 4 sind auf die Welle 2 aufgepreßt und tragen an ihrem Umfang einen dünnen, das Rotorteil 1 bildenden Permanentmagneten.

Wie Fig. 1 zeigt, ist die vorliegende Ausführungsform des Motors praktisch symmetrisch in bezug auf die das Rotorteil 1 enthaltende Radialebene. Zwei Statortrugcrtcile 5, 6 aus nicht magnetischem Material, bei- » spielsweise aus Kunststoff, sind einander gegenüberliegend angeordnet und mit Hilfe von ringförmigen Scheiben 7, 8 und Schrauben 9, 9', 9" zusammengebaut. Die Motorwelle 2 ist mittels Lagern 10,11 in den Trägerteilen 5, 6 drehbar gelagert. Mehrere magnetische Einzelkreise 12 sowie die elektrischen Spulen 13', 13", 14', 14" werden von den Teilen S, 6 getragen.

Jeder maiinetische Einzelkreis 12 weist zwei U-förmige Statorteile 12', 12" aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität auf, welche in Radialrichtung angeordnet sind und einander in Axialrichtung gegenüberliegen. Insbesondere liegt ein Ende eines ersten, äußeren U-Armes jedes Statorteils 12' am entsprechenden Ende eines ersten U-Armes des gegenüberliegenden Statorteiles 12" an, während die zweiten, inneren U-Arme zwischen ihren im Abstand einander gegenüberliegenden Enden einen Luftspalt 15 bilden. Die Statorteile können aus einem Weicheisenteil oder zur Verbesserung der Güte des Kreises aus Eisenblechen aufgebaut sein.

Wie Fig. 2 zeigt sind die magnetischen Einzelkreise in zwei Gruppen unterteilt, die mit 12, und 12„ bezeichnet sind und innerhalb derer je zehn Kreise mit gleichem Winkelabstand von k ■ πΙΝ angeordnet sind, wobei k eine ganze Zahl und N die Anzahl Polpaare des Rotors, wie nachstehend beschrieben, sind. Im gezeigten Beispiel ist k = I und N = 25.

Die allgemein in einer Anzahl ρ · fliegenden Gruppen von magnetischen Einzelkreisen wci-?en untereinander einen Winkelabstand von r - 2πΙΝ ± ji/pN mit r als ganzer Zahl auf, wodurch eine korrekte Betriebsweise bei einem Mehrphasen-Motor zustande kommt. Im gezeigten Beispiel ist ρ = 2 und r =3 bzw. 4, je nach der Seite.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, sind zwei elektrische Spulen mit jedem magnetischen Einzelkreis gekoppelt und die Kreise jeder Gruppe 12,, 12₍₁ sind gemeinsam mit zwei entsprechenden Spulen 14', 14" bzw. 13', 13" gekoppelt. Die Spulen umgeben die U-Arme, welche die Luftspalte der magnetischen Einzelkreise bilden, und ihre sich daraus ergebende gekrümmte Form, die in Fig. 2 ersichtlich ist, bewirkt,"daß die Windungen so nahe wie möglich an den entsprechenden U-Armen liegen. Ferner füllt der Spulenquerschnitt den Raum zwischen zwei U-Armen jedes Statorteils praktisch völlig aus. Lediglich zwei Ringe 16,17 sind noch in ,diesem Raum untergebracht, um die Spulen in ihrer Lage zu halten; sie dienen gleichzeitig zur Führung der Ai.ichlußdrähte. Diese Anschlußdrähte werden durch eine Öffnung 18 im Teil 7 nach außen geführt.

Die vorstehend beschriebene Ausfühnißgsform liefert eine ausgezeichnete Kopplung zwischen den Spulen und den entsprechenden magnetischen Kreisen, wobei eine Minimallänge der magnetischen Feldlinien innerhalb der Kreise und eine äußerst geringe Kopplung zwischen den Spulen zweier verschiedener Phasen, nämlich 13', 13" einerseits und 14', 14" andererseits, ensteht.

Fig. 3 zeigt einen magnetischen Einzelkreis 12', 12" in lamellarer Ausführyng, wobei ein U-Arm jedes Statcvteils wie oben beschrieben zur Bildung des Luftspalts dient. Fig. 3 zeigt ferner schematisch einen ringförmigen Bereich Jes scheibenförmigen Roiorteils 1 aus hartmagnetischem Material, das axial magnetisiert ist, derart, daß auf jeder Seite der Scheibe 2N magnetische Pole von abwechselnder Polarität entstehen, was durch die Bezeichnungen „N" und „S" in der Zeichnung angedeutet ist,

Gemäß einer Ausführungsvariante des erfinJungsgemäßen Motors werden zwei oder mehrere Motorstufen zu einem Zwei- oder Mehrphasen-Motor verbunden, wobei jede Stufe ähnlich dem Motor der Fig. 1 und 2 aufgebaut ist. Die Welle eines solchen kombinierten Motors ist allen Stufen gemeinsam und die scheibenförmigen Rotorteile sind durch entsprechende Trägerteile auf dieser Welle befestigt. Vorzugsweise weist jede

Stufe eine einzige Gruppe von magnetischen Einzelkreisen auf und entspricht somit einer Phase. Um die erforderliche Phasenbeziehung zwischen den verschiedenen Stufen zu erzielen, sind die Statorträgerteile jeder Stufe winkelmäßig gegeneinander versetzbar ausgebildet. Zur Ermittlung der richtigen Winkelstellung wird beispielsweise die Motorwelle gedreht und werden die in den verschiedenen Motorstufen induzierten Spannungen gemessen.

Bei der oben beschriebenen Anordnung der magnetisehen Einzelkreise und des scheibenförmigen Rotorteils wird eine große Änderung des magnetischen Felds in diesen magnetischen Kreisen erzielt und damit ein hohes Drehmoment pro Masseeinheit des Motors erreicht. Diese Anordnung erlaubt ferner die Erzielung einer hohen Winkelgeschwindigkeit, die praktisch durch die Induktivität der Spulen begrenzt ist.

Eine große Schrittzahi kann durch eine geeignete Anzahl von Polen auf dem scheibenförmigen Rotorteil erhalten werden, da dessen Durchmesser im Verhältnis zu den Abmessungen des Motors sehr groß sein kann. Beispielsweise können in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 hundert Schritte pro Umdrehung erhalten werden, wenn die Spulen 13', 13" bzw. 14', 14" durch eine Eingangsimpulsfolge mit vier verschiedenen Zuständen gesteuert werden, oder es können zweihundert Schritte pro Umdrehung mit einer Eingangsfolge von acht Zuständen erhalten werden.

Die Phasen können selbstverständlich auch in bekannter Weise durch abgestufte Ströme von im Gan- .w zen etwa sinusförmigem Verlauf gesteuert werden, um eine noch höhere Schrittzahl zu erreichen.

Um in einem Zweiphasen-Motor die Ruhestellungen des Rotors genau festzulegen, ist es wünschbar, die vierte Oberwelle des Ruhedrehmoments, das ohne elektrischen Strom auf den Rotor wirkt, auf ein Minimum zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird jede Gruppe von magnetischen Einzelkreisen in zwei Untergruppen unterteilt, die gegeneinander um einen Winkel von k ■ IxIN ± 2jt/8/V versetzt sind. -to

In einer Ausführungsform eines Zweiphasen-Motors vom Typ der Fig. 1 und 2 ist es vorteilhaft, zur Vermeidung von Fehlern durch Unrundheit, Unebenheit oder Dickeabweichungen des Magneten vier Gruppen von magnetischen Einzelkreisen zu bilden, wobei je zwei Gruppen jeder der Phasen zugeordnet sind und die einer Phase zugeordneten Gruppen einander im wesentlichen diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

Zur Verringerung des thermischen Widerstands des Motors bezüglich der umgebenden Luft können an der sn Außenfläche des Motors Teile oder die Gesamtheit der äußeren U-Arme der magnetischen Einzelkreise, d. h. jener Arme die nicht den Luftspalt bilden, freiliegend sein.

In einer Ausfühningsform des erfindungsgemäßen Motors wird eine Flüssigkeitsdämpfung des Rotors verwendet, wobei die ringförmigen Räume zu beiden Seiten der Rotorscheibe, deren Querschnitte durch die Radial- und entsprechenden Axialabmessungen der Luftspalte bestimmt sind, von Flüssigkeit ausgefüllt sind. Die Flächen, die den magnetisierten Ringbereichen des scheibenförmigen Rotorteils gegenüberliegen und die genannten Räume begrenzen, sind in diesem Fail kontinuierlich ausgebildet. Zürn Beispiel werden im Fall der Fig. 2 die Teile 5 und 6 zwischen den beiden Gruppen von Einzelkreisen 12, und 12_n durchlaufend ausgeführt. Um zu vermeiden, daß die Flüssigkeit, beisoielsweise ein Silicon-Öl mit einer Viskosität vor. 200 Centistokes über die benachbarten Flächen kriecht, werden diese mit einem Epilame behandelt, entsprechend einem in der Uhrentechnik üblichen Verfahren. Das Reibungsmoment, das durch Scherung der Flüssigkeit erhalten wird, ist proportional der Rotorgeschwindigkeit und kann durch konstruktive Maßnahmen bestimmt werden. Sollen die genannten Räume verkleinert werden und ist der Luftspalt ausreichend, so kann man eine Scheibe aus nichtmagnetischem Material auf dem feststehenden Teil des Motors zu beiden Seiten der Rotorscheibe anbringen.

Der erfindungsgemäße Motor kann vorteilhall mit einer elektrooptischen Abtastvorrichtung für den Rotor versehen werden. Beispielsweise können eine oder mehrere Öffnungen im Trägerteil für den scheibenförmigen Rotorteil vorgesehen werden, um eine Abtastung mit durchgehendem Licht zu erlauben. Gemäß einer anderen Äusiünruiigsfoim wiiu ;iui (Jem scheibenförmigen Rotorteil eine Markierung mit unterschiedlichem optischen Reflexvermögen angebracht, beispielsweise durch ein photographisches Verfahren. Die Rotorscheibe wirkt mit einer elektro-optischen Reflexions-Abtastvorrichtung zusammen, wobei der Motor so ausgeführt ist, daß die Rotorscheibe beispielsweise zwischen zwei Gruppen von magnetischen Einzelkreisen für die Abtastung zugänglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Mehrphasen-Schrittmotor mit einem scheibenförmigen permanentmagnetischen, auf der Motorachse montierten Rotorteil, das axial magnetisiert ist, derart, daß zu beiden Seiten der Rotorscheibe je ZN Magnetpole abwechselnder Polarität in einer Ringzone längs des Rotorumfanges regelmäßig verteilt sind, sowie mit einem Stator, der den Magnetpolen des Rotors zugeordnete Eiektromagnete trägt, die mit ihren Polstücken jeweils gemeinsam mit den Polen der Permanentmagnete des Rotors magnetische Einzelkreise bilden, sowie mit mindestens zwei Spulen, deren Windungen parallel zur Rotorscheibe verlaufen und die jeweils mehrere magnetische Einzelkreise umschließen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder magnetische Einaeikreis (12) ein erstes U-förmiges Statorteil (12'} aufweist, weiches radial angeordnet ist und achsparallele U-Arme aufweist, sowie ein zweites Statorteil (12") aufweist, das mit dem Ende eines ersten U-Armes des ersten Statorteiles (12') außerhalb des Umfanges des Rotorteiles (1) in Berührung steht und mit dem Ende de,s zweiten U-Armes des ersten Statorteiles (12') einen Luftspalt bildet, in dem der Rotorteil (1) mit seinen Magnetpolen befindlich ist, und daß die Gesamtheit der magnetischen Einzelkreise (12) entsprechend der Phasen in mindestens Twei magnetisch getrennte Gruppen von Einzelkreisen (12,, 12_n) mit jeweils einer ersten Spule (13", 14"), unterteilt ist, wobei die ersten Spulen die jeweils zu einer Gruppe zusammengefaßten ersten U-förmigen Statorteile umfassen, daß die magnetischen Einzelkreise innerhalb einer Gruppe einen Winkelabstand von k-ln/N und die äußeren Einzelkreise zweier aufeinanderfolgender Gruppen untereinander einen Winkelabstand von r-lnlN ± JtIp-N aufweisen, wobei r und k jeweils eine ganze Zahl ist, und daß Spulen und magnetische Einzelkreise in Statorträgerteile (5, 6) aus nicht magnetischem Material eingebettet sind.

2. Schrittmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß noch zweite Spulen vorgesehen sind, die jeweils zu einer Gruppe zusammengefaßte zweite U-förmige Statorteile umfassen.

3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor mindestens zwei auf einer gleichen Achse angeordnete Rotorteile (1) aufweist, und daß eine Gruppe von magne- so tischen Einzelkreisen jedem dieser Rotorteile zugeordnet ist und damit eine Motorstufe bildet.

4. Schrittmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppe von magnetischen Einzelkreisen einer Motorstufe in ihrem Winkel gegenüber der Gruppe von Einzelkreisen einer anderen Motorstufe einstellbar ist.

5. Schrittmotor nach Anspruch 1, in Form eines Zweiphasen-Motors, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gruppe von einer Phase zugeordneten magnetisehen Einzelkreisen in zwei Untergruppen unterteilt ist, die untereinander um einen Winkel von k-2nlN ± 2ji/8N verdreht sind, so daß die vierten Harmonischen des statischen Moments, das auf den Rotor in Abwesenheit von elektrischem Strom wirkt, kornpensiert werden.

6. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Einzelkreise so im Motor angeordnet sind, daß ein äußerer Teil dieser Kreise mit der Außenluft in Berührung steht.

7. Schrittmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ringförmigen Räume, die zu beiden Seiten des scheibenförmigen Rotorteils liegen und deren Querschnitt durch die Radial- und entsprechende Axialabmessung des Luftspalts der magnetischen Einzelkreise bestimmt ist, gegenüber dem scheibenförmigen Rotorteil durch kontinuierliche Flächen begrenzt sind und mit Flüssigkeit geeigneter Viskosität gefüllt sind, wobei die Flächenteile, die an die dem scheibenförmigen Rotorteil gegenüberliegenden Flächen anschließen, mit einem Epilame behandelt sind.