DE3412265A1

DE3412265A1 - Elektrischer schrittmotor

Info

Publication number: DE3412265A1
Application number: DE3412265A
Authority: DE
Inventors: Claude Besancon Oudet
Original assignee: Portescap SA
Current assignee: Portescap SA
Priority date: 1983-04-08
Filing date: 1984-04-02
Publication date: 1984-11-29
Also published as: GB8408631D0; GB2139013A; CH653189A5; GB2139013B; JPH072002B2; US4517478A; JPS6043058A; FR2544138B1; DE3412265C2; FR2544138A1

Description

Elektrischer Schrittmotor

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schrittmotor gemäß 'dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Motor ist z. B. in der DE-PS 30 49 234 beschrieben.

Bei derartigen Motoren ist es wünschenswert,, die Harmonischen des vom Strom herrührenden Momentes unddiejenigen des in Abwesenheit des Stroms auftretenden Moments möglichst klein zu halten. \ =■_■■_ _~~

Zu diesem Zweck wurde insbesondere bereits vorgeschlagen, . \ jede Gruppe von magnetischen Elementarkreisen, die einer ,;" Phase eines zweiphasigen Motors zugeordnet sind, in zwei _: Untergruppen zu unterteilen und diese Untergruppen zueinander derart zu verschieben, daß die vierte Harmonische des im stromlosen Zustand auftretenden Moments kompensiert ist.

Bei bestimmten Anwendungen" jedoch, insbesondere wenn der Motor derart gesteuert wird, daß er Teilschritte aus-führt ("Microstepping") ,. haben sich andere Harmonische als störend erwiesen, insbesondere die Harmonischen Drei und Fünf des vom Strom herrührenden Moments^ so daß man bereits . versucht hat, -das" gleiche Prinzip der Verschiebung von .Untergruppen magnetischer Kreise zur Kompensation dieser ,Harmonischen zu verwenden. Bei dem in dem deutschen Patent Nr. ' 30 49 234 (Patentanmeldung PCT/CH 82/00127) beschriebenen Motor sind, Beispiele angeführt, .um die Anwendung derartiger. \ Maßnahmen auf einen Motor mit in diesem Patent beschriebe-_ •nen magnetischen Kreisen darzustellen. Das gleiche Prinzip

EPO- - C QP Y

ist ebenfalls anwendbar auf einen Motor, der magnetische Kreise aufweist, wie sie in der obengenannten DE-PS 30 49 234 beschrieben sind. " .

Versucht man jedoch in diesem Fall eine Verschiebung.zwischen den"beiden Statorhälften, die beiderseits der die magnetisierte Scheibe enthaltenden Transversalebene angeordnet sind, durchzuführen, so erweisen sich die aus einer derartigen Verschiebung resultierenden Flußverluste in den einzelnen Elementarkreisen, die nur geringe Dicke aufweisen, als zu groß. Eine derartige Verschiebung bildet jedoch eine besonders wirksame Maßnahme.zur.Kompensation yon Harmonischen . _: ; und ermöglicht gleichzeitig eine Unterteilung in Untergruppen , die sich zur Kompensation anderer Harmonischer verwenden läßt.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgäbe zugrunde, einen Motor der obengenannten Art zu schaffen, bei dem eine Kompensation von" Harmonischen durch winkelmäßige Verschiebung der . ' beiden Statorhälften erfolgt, ohne daß ein merklicher Flußverlust auftritt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen."Im Unteranspruch ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform beschrieben.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand'der Zeichnung näher erläutert ,-in der ein vorteilhaftes" Ausführungsbeispiel dar- .. gestellt ist. .■:■■■-■■-'"■■ ."" -.' /^- -- :— ^:; \^: - ' ^; ~ " \\ "■"_, . _:-■■--y „.· ■ . ■-■■■

Es zeigen ■,-■""""-.-■ .---" ^: _: "

Figur 1 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Zweiphasen-Schrittmotors entlang der Linie I-I, von Figur 2? ^:

Figur 2 einen Schnitt durch den Motor entlang der Linie H-II -.""'"" .^ von Figur 1 und ^{: Λ} ■ . "'.. -_ ^;: " ' ..,.,--■■■.,"

Figur 3 eine Ansicht in Axialrichtung eines magnetischen : >;'

Elementarkreises ohne Spule, die schematisch einen Teil des mit diesem Kreis zusammenwirkenden Drehteils darstellt.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Schrittmotor weist ein Drehteil 1 in Form einer ringförmigen Scheibe auf, die auf einer Welle 2 mittels zweier Halteteile 3, 4 befestigt ist. Die Teile 3, 4 sind im Preß sitz auf die Welle 2 aufgebracht und tragen an ihrem Umfang einen dünnen Permanentmagneten, der das Teil 1 bildet. Dieses ist in axialer Richtung magnetisiert und weist auf jeder Seite der Scheibe 2N magnetische Pole abwechselnder Polarität auf, die regelmäßig entlang eines ringförmigen Bereichs angeordnet sind. · . ·

Wie Figur 1 zeigt,, ist das dargestellte-Ausführungsbeispiel des Motors praktisch symmetrisch bezüglich 'einer Transversalebene, welche das Drehteil 1 enthält.. Zwei Statorhalterungen 5,6 aus nichtmagnetischem Material, .beispielsweise aus Kunststoff, sind einander gegenüberliegend vorgesehen und werden durch ringförmige Flansche 7, 8 und Schrauben 9, 9 V usw. zusammengehalten. Die Welle 2 des Motors istdrehbar bezüglich der Halterungen 5, 6 mittels Lager 10, 11 eingebaut. Mehrere magnetische Elementarkreise 12 sowie elektrische Spulen 13', 13", 13¹ "_f 33 '.y (nicht dargestellt) und 74 * (nicht dargestellt)^ 14'', 14¹¹¹, 14'V (nicht dargestellt) werden, von den. Halterungen 5,6 getragen. _/ .; -

Jeder magnetische El-ementarkreis 12 weist zwei U-förmige Statorteile 12', 12''auf, aus einem Material großer magnetischer Permeabilität, die radial und in axialer Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei' berührt das ; Ende eines ersten äußeren Armes des U eines jeden ersten ^T'"" Statorteils 12' das entsprechende Ende eines ersten Armes - des U eines zweiten Statorteils 12' ', während die zweiten inneren Arme des U der gleichen Statorteile im. Abstand von- L\ einander angeordnete Enden aufweisen;, so daß -zwischen diesen -

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ein Spalt 15 besteht. Die Statorteile können aus einem Weicheisenstück gefertigt sein oder, zur Erhöhung der Qualität des Kreises, aus Lamellen gebildet sein. . ... .

Wie aus Figur 2 hervorgeht, sind die magnetischen Elementarkreise in vier Gruppen unterteilt, deren jede vier magnetische Elementarkreise aufweist, wobei zwei Gruppen jeweils einer der Phasen zugeordnet sind und die einer gleichen Phase zugeordneten Gruppen derart angeordnet sind, daß sie sich diametral gegenüber liegen. Jede Phase weist außerdem zwei Paar Spulen auf, d. h. 13.', 14» und 13' ' ' , 14 · " für die eine : Phase und 13 ' ■ ,.. 1 4 ' · und 13'^v, 14^IV für die andere Phase. Die jeder Phase zugeordneten Spulen sind derart angeordnet, daß sie sich in jeder Hälfte des vollständigen Stators des Motors diametral gegenüber liegen. Diese·Statorhälften werden durch diejenigen Teile gebildet, die beiderseits~der das DrehterT 1 enthaltenen Ebene angeordnet sind. Zwei, sich diametral gegenüberliegende Spulen in-der jenigen. Half te des Stators, die.die -Halterung 6 enthält, sind teilweise in Figur 2 sichtbar und' mit 13' bzw. 13'¹ bezeichnet; ' '_■

Die magnetischen Elementarkreise weisen einen Winkelabstand voneinander au_f,der wenigstens ungefähr gleich 2k 7Z/N ist, wobei k eine ganze Zahl ist und N die Anzahl der Polpaare des Rotors bezeichnet. ' . " - . "." ■

Wie die.Figuren'1 und 2 zeigen, sind zwei elektrische Spulen mit jedem magnetischen Elementarkreis 12 gekoppelt und die Kreise einer jeden Gruppe in ihrer Gesamtheit mit zwei entsprechenden Spulen, wie z. B. 13', 14', gekoppelt. Die Spulen sind um die die Spalten der Elementarkreise bildenden Arme des U herum angeordnet und ihre in Figur-2 dargestellte·Form gewährleistet, daß die Windungen- relativ nahe an diesen Armen des U liegen. ■. Obendrein füllt der Querschnitt der Spulen praktisch vollständig den Raum zwischen den beiden Armen des U eines jeden Statorteils aus. Nur zwei Ringe 16, 17 sind ebenfalls in'die-

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sem Raum vorgesehen, um die Spulen festzuhalten und um ihre Anschlußdrähte zu führen.

Die oben beschriebene Anordnung ermöglicht eine ausgezeichnete Kopplung zwischen den Spulen und den zugehörigen EIe-. mentarkreisen, eine minimale Länge der magnetischen Flußlinien im Inneren der Kreise und eine äußerst geringe Kopplung zwischen den den beiden Phasen zugeordneten Spulen.

Figur 3 zeigt Separat einen magnetischen Elementarkreis 12 , der z. B. lamellenförraig aufgebaut ist, wobei ein Arm des U eines, jeden Statorteils einen Spalt bildet, wie oben be- --. schrieben.. Figur 3 zeigt ebenfalls^ schematisch einen ringförmigen Bereich entlang des Umfangs der Scheibe 1 aus hartem magnetischem Material, die axial derart magnetisiert ist, daß auf jeder Seite der ringförmigen Scheibe die erwähnten2N magnetische Pole abwechselnder Polarität entstehen., die durch "N" und "S" bezeichnet sind. / : ; : " -. - ",-.■ ■

Figur 2 zeigt die Besonderheit des erfindungsgemäßen Motors. Sie zeigt die Verteilung der zweiten Statorhälften 12'' der magnetischen Elementarkreise, deren erste entsprechenden Teile so angeordnet sind, wie es oben beschrieben worden ist. Die Mittelpunkte der Enden der-ersten und zweiten Arme des U eines der zweiten Statorteile sind in der Ebene dieser Enden darge-^ stellt und mit S und R bezeichnet. '. - .

Die Mittelpunkte R und S sind winkelmäßig zueinander verschoben und zwar um einen Winkel^.., der der Hälfte einer Winkel- ^:, verschiebung entspricht, die.eine Kompensation der gewünschten Harmonischen liefert. Mit den Bezeichnungen von Figur 2 ist der Winkel^., der Winkel zwischen den beiden Axia.lebenen η und p. Die Verschiebung ist analog und liegt in der gleichen Richtung für alle Statorteile der selben Statorhälfte. Bezüglich der zweiten Statorhälfte weist die Verschiebung die gleiche

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Größe auf und erfolgt in eine derartige Richtung, daß beim Zusammenbau der beiden Statorhälften sich die beiden Ver- · Schiebungen addieren. Mit anderen Worten werden die Enden der ersten Arme des U oder die. äußeren Arme in den beider! Statorhälften beim Zusammenbau überlagert, während die Mittelpunkte der zweiten, entsprechenden inneren Arme um einen Winkel von 2*^ zueinander verschoben sind. Man erhält dadurch-für die aktiven Pole des Stators, d. h. die. Pole, die den Spalt bilden, eine Verschiebung, die die Kompensation der gewünschten Harmonischen ermöglicht; es .wird . zum Beispiel für den Fall der Harmonischen 4 de-s Restmomen- ^: tes, d. h. des Momentes, das auf den Rotor bei Fehlen eines elektrischen Stroms in den Spulen aufgrund der Zusammenwir-

- kung der magnetischen Pole der magnetisieren Scheibe mit den Polstücken des Stators einwirkt, ein Winkel 2^ im wesent-

. ..glichen =jT/4N gewählt. Im allgemeinen ist die -Verschiebung ._; . _:;, 2^₁ im wesentlichen = TT/hN, wobei h. die-Ordnungszahl der '-

#^zu kompensierenden Harmonischen ist,. Es hat sich in der :. Praxis als vorteilhaft erwiesen, die Verschiebung ungefähr um 10 % bezüglich des theoretischen Wertes zu erhöhen, um eine sehr gute Kompensation zu erwirken unter Berücksichti-

'_. gung der in der Praxis auftretenden Störungen des Magnetfeldes.

.Diese Kompensationsmaßnahme kann vorteilhafterweise mit Korn-

ripensatioBsmaßnahmen im Inneren einer jeden Statorhälfte kombiniert werden, durch Verschiebung der axialen Symmetrieebenen bezüglich der Polstücke einer jeden Gruppe von Polstücken. Z. B. im Fall der Figur 2 wird die Harmonische 3 -des Vom ^: elektrischen Strom herrührenden Momentes durch eine Verschiebung der mit q und ρ bezeichneten Axialebenenbezüglich einer Axialebene m kompensiert^ _vw^lche eine Symmetrieebene für die

.^ Enden der äußeren .Arme der Statorteile bildet.. Im dargestellten" Fall .sind die Mittelpunkte S¹ und S in den Ebenen q und ρ der-": art angeordnet , daß bezüglich zu m die Winkel ^₂ = Tt7N und *<3 ^{= 3} T/N"+TT7 6N sind, d. h. daß die axiale Symmetrieebene

ε ρ ό _t- ■■ c ο ρ- γ:

zwischen den beiden Mittelpunkten bezüglich der Ebene m um "ΠΓ/6Ν verschoben ist, d. h. um die Hälfte des Kompensationswinkels der Harmonischen 3, wobei die andere Hälfte durch eine anlöge Verschiebung der ,zu S¹ und S symmetrischen Mittel-^ punkte bezüglich der Ebene m erhalten wird.

Um gleichzeitig die Harmonischen 3 und 5 im Inneren einer Gruppe von vier Polstücken zu kompensieren, werden die axialen Symmetrieebenen, wie z. B. ρ und q zweier, aufeinanderfolgende'r Polstücke, zueinander verschoben im Umfangsrichtung des Motors, wobei Untergruppen T25, 126 und 127, 128 derart gebildet werden, "daß die Auswirkungen der Harmonischen 5 kompensiert sind und andererseits werden die beiden Untergruppen zueinander derart verschoben, . daß. die Auswirkungen der Harmonischen kompensiert sind. Mit anderen .Worten, man verschiebt die Symmetrieebe derPolstücke 125, 1.26 und 127L, 128 um - '/Γ/5Ν be- *~~ züglich ihrer theoretischen Stellung, die z. B. einem Winkel.

J von 2TT/N zwischen diesen Symmetrieebenen entspricht und man j^ - "-■■■■■ · ■ '' ' - - " "" *

verschiebt die axialen Symmetrieebenen der Untergruppen 125, ' 126, und 127, 128, die jeweils als Ganzes betrachtet werden, -, zueinander, um' einen. Winkel von - 7C73N. Die Gesamtheit dieser Verschiebungen erfolgt derart, daß _rdie resultierenden Abstände bezüglich der theoretischen Stellung der Polstücke die kleinstmöglichen sind.Beim dargestellen Ausführungsbeispiel werden, also die Vorzeichen der Verschiebewinkel derart gewählt,, daß. .'--. die Polstücke im Inneren einer jeden Untergruppe sich einan-

- ,der .nähern-und. daß die beiden'Untergruppen sich einander nähern,

- ; was zu entsprechenden Winkeln (211 - 7Γ/.5)/N,- (2 7Γ-7Γ-/3+?u/5)/N

und (2.7Γ-"'7!Γ/5)"/Ν - zwischen- aufeinanderfolgenden Symmetrieebenen im Inneren einer Gruppe von vier Polstücken führt. .

; . Für den.Fachmann ist klar, daß die gewünschte Kompensation'in ähnlicher Form für den Fall einer- anderen Anzahl von Polstücken erfolgt und daß diese Kompensation optimal wird, wenn man über eine gerade Anzahl von Untergruppen und eine gerade Anzahl von Polstücken in jeder Untergruppe-verfügt....;:: ^ ; ■: Λ

EPO- COPY

Es sei bemerkt, daß die Neigung der inneren Enden der Arme des U der Statorteile bezüglich einer Axialebene zu einer gewissen Verringerung der Harmonischen 5 und höheren Ordnung führt, wodurch in den meisten Fällen, die Kompensation im Inneren einer jeden Statorhälfte auf die Harmonische 3 begrenzt werden kann.- . -

- Leerseite -

EPO - COPY

Claims

Haft - Berngruber ν czybiHksf- '**" ^: _o , ₁~ _{0 ß},- Patentanwälte

_: ; 341 ^zbb

11105

PORTESCAP

165, rue Numa-Droz

00 LA CHAUX-DE-FONDS,
Schweiz

Elektrischer Schrittmotor

Patentansprüche

Elektrischer Schrittmotor mit einem Drehteil, das im wesentlichen aus einer Scheibe aus magnetischem Material gebildet ist,- die axial derart magnetisiert ist, daß sie auf -jeder Scheibenseite 2N magnetische Pole- ... ν abwechselnder Polarität aufweist, welche regelmäßig . entlang eines ringförmigen Bereichs angeordnet sind, wobei das Drehteil auf der Achse des Motors befestigt ^: : ist und der Motor außerdem mehrere magnetische Elemen- . tarkreise aufweist, "deren Gesamtheit wenigstens zwei- ,;~^:.: Gruppen bildet, sowie wenigstens zwei elektrische Spulen ~ aufweist, deren ;jede mit mehreren Elementarkreisen verbunden ist, die zu derselben Gruppe gehören, und wobei jeder der magnetischen Elementarkreise einen Spalt aufweist, alle Spalte im gleichen, radialen Abstand von der Achse des... ^Motors aebildet sind und alle "Spalte außerdem im wesentliehen symmetrisch bezüglich einer in der magnetisierten " Scheibe-liegenden Transversalebene sind, wobei jeder magnetische Elementarkreis erste, und zweite, flache V- U-for-; mige Statorteile hoher magnetischer Permeabilität auf-

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weist, die im wesentlichen radial bezüglich der Achse des Motors angeordnet sind, wobei' das Ende eines ersten. Armes des U eines ersten Statorteils eines jeden Kreises das Ende des ersten Armes des U eines zweiten Statorteils" des gleichen Kreises berührt, sich die Enden der zweiten Arme des U der ersten und "zweiten Statorteile mit einem bestimmten Axialabstand voneinander derart gegenüberliegen, daß einer der erwähnten Spalte gebildet wird und wobei' elektrische Spulen um entsprechende zweite Arme des U der ersten und zweiten Stetorteile der magnetischen EIementarkreise herum angeordnet sind, Mit .denen sie gekoppelt

- sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des Endes des zweiten Armes des ü eines jeden Statorteils eines magnetischen Elementarkreises winkelmäßig verschoben ist bezüglich des Mittelpunktes-des Endes des' ersten Armes des U, daß die - beiden 'Stätorteile eines magnetischen Elementarkreises derart angeordnet sind,, daß die Mittelpunkte der Enden der ersten Arme des U zusammenfallen und daß die "..."■:- "Mittelpunkte der Enden der zweiten Arme des U winkelmäßig zueinander verschoben sind, um einen Winkel, der im we-

. sentliehen - JC/hN beträgt, wobei h die Ordnung der zu ; kompensierenden Harmonischen . bezeichnet.
2. Schrittmotor nach Anspruch" 1 , dadurch gekennzeichnet, daß' ■ die Mittelpunkte der Enden der ersten oder zweiten Arme des U der Statorteile von zwei magnetischen Elementarkreisen, "die mit der. oder den Spulen einer gleichen Phase.ge-" -~ koppeIt.srnd, winkelmäßig derart verschoben sind, daß sie eine gewünschte Harmonische kompensieren. ^r . ^;

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