DE4305729C2

DE4305729C2 - Dreiphasen-Hybrid-Schrittmotor

Info

Publication number: DE4305729C2
Application number: DE4305729A
Authority: DE
Inventors: Hirobumi Satomi
Original assignee: Oriental Motor Co Ltd
Current assignee: Oriental Motor Co Ltd
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1993-02-22
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2013-02-23
Also published as: JPH05244759A; DE4305729A1; US5315192A; JP3182196B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dreiphasen-Hybrid-Motor.

Aus Heine: Mehrphasiger Schrittmotor mit hohem Auflösungsvermögen. In Feinwerktechnik und Meßtechnik 85 (1977), 6, S. 258-270, und aus Heine: Steuerschaltungen für 5-Phasen-Hybrid-Schrittmotoren. In Feinwerktechnik und Meßtechnik 86 (1978), 4, S. 176-184, ist ein Eisenkern eines Stators für den Hybrid-Schrittmotor bekannt, der gemäß Fig. 8 und 9 Segmente aufweist. Der Eisenkern nach Fig. 8 ist für zwei Phasen und der Eisenkern nach Fig. 9 ist für fünf Phasen ausgelegt.

Der Zweiphasen-Schrittmotor weist Probleme wie Vibrationen oder Resonanzschwingungen auf. Daher wurde der Fünfphasen-Schrittmotor entwickelt, der geringere Vibrationen, eine hohe Auflösung und Hoch-Geschwindigkeitscharakteristiken aufweist.

Jedoch erfordert der Fünfphasen-Schrittmotor in der Regel mindestens 10 Schaltelemente, die notwendig sind, um ihn bipolar anzutreiben. Verglichen mit den 8 Schaltelementen bei dem Zweiphasen-Schrittmotor ist die Anzahl der Schaltelemente größer. Folglich besteht das Problem, daß ein Antriebsstromkreis für den Fünfphasen- Schrittmotor kompliziert und teuer in der Herstellung ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dreiphasen- Hybrid-Schrittmotor zu schaffen, welcher bessere Eigenschaften bezüglich Vibrationen, Auflösung und Hoch-Geschwindigkeitsbetrieb als ein Zweiphasen-Schrittmotor hat und einen einfachen Antriebsstromkreis aufweist sowie nur niedrige Herstellungskosten verursacht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhaft ist es, die Eisenbleche zum Zwecke des schichtweisen Aufbaus fortlaufend um 60° zu drehen.

Ein Hybrid-Schrittmotor mit zwölf ausgeprägten Polen ist aus der US 47 92 709 bekannt.

Dieser Motor weist eine besonders ausgebildete zweiphasige Wicklung auf, um einen dreiphasigen Betrieb zu erreichen.

Beim erfindungsgemäßen Dreiphasen-Hybrid-Schrittmotor mit einer Anzahl Z_R an Rotorzähnen, welche durch die obige Gleichung Z_R = 12n ± 2 bestimmt wird, ist das Verbindungssystem der Stator-Phasenwindungen mit 4 Paar Polen für jede Phase ausgebildet, das bedeutet gemäß Fig. 2 mit 8 Polen.

Folglich kann beim Dreiphasen-Motor, welcher 12 ausgeprägte Pole aufweist, ein magnetischer Weg des Stators im Vergleich zu einem konventionellen System, welches zwei Polpaare für jede Phase, d. h. 4 Pole aufweist, abgekürzt werden. Weil dadurch die magnetische Kraftliniendichte eines Jochs erniedrigt werden kann, kann der Eisenverlust im Vergleich zu einem konventionellen System um ungefähr die Hälfte reduziert werden. Das bedeutet, daß die Hochgeschwindigkeits- Charakteristik entscheidend verbessert werden kann.

Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß gemäß dem Dreiphasen- Hybrid-Schrittmotor der vorliegenden Erfindung komplette Dreiphasen-Windungen auf den Stator-Eisenkern aufgewickelt werden können, weil die 12 ausgeprägten Statorpole, die Anzahl der abwechselnd in den ausgeprägten Polen angeordneten Statorzähne, der Breitenwinkel, welcher durch die Mittellinien der Statorzähne gebildet wird, und die Anzahl der Rotorzähne derart ausgewählt sind, daß sie die vorbestimmte Beziehung erfüllen.

Folglich weist der erfindungsgemäße Dreiphasen-Hybrid-Schrittmotor im Vergleich zum Zweiphasen-Schrittmotor exzellente Eigenschaften im Bereich der Vibrationen, der Auflösung und im Hochgeschwindigkeitsbetrieb auf, und es kann im Vergleich zum Fünfphasen- Schrittmotor eine Vereinfachung des Antriebsstromkreises und eine Reduzierung der Herstellungskosten erreicht werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht von einem Eisenkern eines Stators nach einer ersten Ausführungsform eines Dreiphasen-Hybrid-Schrittmotors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Verbindungsschema von Phasenwindungen, die auf dem Eisenkern des Stators nach Fig. 1 in der Dreiphasen-Konfiguration aufgewickelt sind;

Fig. 3 ein Drehvektordiagramm für den Fall, daß die Dreiphasenwindungen auf dem Eisenkern des Stators nach Fig. 1 vorgesehen sind;

Fig. 4 eine Schnittansicht von einem Eisenkern eines Stators nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein Verbindungsschema von Phasenwindungen, die auf dem Eisenkern des Stators nach Fig. 4 in der Dreiphasen-Konfiguration aufgewickelt sind;

Fig. 6 ein Diagramm der inneren Verbindung des Dreiphasen-Hybrid- Schrittmotors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 6(A) ein Sternschaltungsdiagramm und Fig. 6(B) ein Dreieckschaltungsdiagramm ist;

Fig. 7 ein Diagramm eines Antriebsstromkreises von einem Dreiphasen- Hybrid-Schrittmotor gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Schnittansicht von einem Eisenkern eines Stators, der für einen konventionellen Zweiphasen-Hybrid-Schrittmotor ausgebildet ist; und

Fig. 9 eine Schnittansicht von einem Eisenkern eines Stators, der für einen konventionellen Fünfphasen-Hybrid-Schrittmotor ausgebildet ist.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dreiphasen- Hybrid-Schrittmotors gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht von einem Eisenkern eines Stators von dem Schrittmotor, die eine wechselseitige Beziehung von dem Stator-Eisenkern zum Eisenkern eines Rotors zeigt.

Der Schrittmotor nach Fig. 1 enthält einen Stator-Eisenkern 1 und einen Rotor-Eisenkern 2. 12 ausgeprägte Statorpole l₁, l₂, l₃, . . ., l₁₁, l₁₂, welche radial in dem Stator-Eisenkern 1 angeordnet sind, sind mit einer Anzahl a (wobei a eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist) von Statorzähnen 3, welche bei einer Zahnbreite τ_s1 oder Intervallen von τ_s1 ausgebildet sind, und einer Anzahl (a+1) von Statorzähnen 4, welche bei einer Zahnbreite τ_s2 (worin τ_s1 ≧ τ_s2) ausgebildet sind, versehen, wobei die Zähne 3 und 4 abwechselnd und gegenüber von dem Rotor-Eisenkern 2 angeordnet sind.

Mittellinien der Statorzähne 3 und 4, welche auf den ausgeprägten Polen l₁, l₂, l₃, . . ., l₁₁, l₁₂ ausgebildet sind, sind in gleichen Intervallen von 30 Grad angeordnet.

Eine Vielzahl von Rotorzähnen 5 ist in der äußeren Peripherie des Rotor-Eisenkerns 2 angeordnet; und eine mechanische Drehung wird von einer Ausgangswelle 6 erzeugt, welche bei einem vorbestimmten Schrittwinkel durch den Eisenkern 2 des Rotors hindurch angeordnet wird.

In Fig. 1 weisen die Eisenkerne des Schrittmotors die Anzahlen a=3 und n=4, eine Rotorzahnzahl Z_R=12n+2=50 sowie Zahnbreiten von τ_s1 = 7.2° und τ_s2 = 6.9° auf. Vier Statorzähne 4 sind bei einer Zahnbreite von 6.9° in den ausgeprägten Polen l₁, l₃, l₅, l₇, l₉ und l₁₁ und drei Statorzähne 3 sind bei einer Zahnbreite von 7.2° in den ausgeprägten Polen l₂, l₄, l₆, l₈, l₁₀ und l₁₂ ausgebildet.

Die Verschiebungswinkel der Statorzähne 3, 4, welche in der inneren Peripherie der ausgeprägten Pole l₁, l₂, l₃, . . ., l₁₁, l₁₂ ausgebildet sind, gegenüber den Rotorzähnen 5, welche in der äußeren Peripherie des Rotor-Eisenkerns 2 gemäß Fig. 1 (d. h., die Anzahl der Rotorzähne beträgt Z_R=12n±2) ausgebildet sind, betragen für die ausgeprägten Pole l₁ bis l₁₂, im Uhrzeigersinn betrachtet, bei Pol l₁ beginnend:

(0/6)τ_R, (4/6)τ_R, (2/6)τ_R, (0/6)τ_R, (4/6)τ_R, (2/6)τ_R, (0/6)τ_R, (4/6)τ_R, (2/6)τ_R, (0/6)τ_R, (4/6)τ_R

und (2/6)τ_R, wobei die Rotor-Zahnbreite τ_R als Einheit gesetzt ist und sich bei

berechnet.

Folglich werden gemäß Fig. 2 Windungen W₁, W₄, W₇ und W₁₀ mit gleichem Wicklungssinn auf den ausgeprägten Polen l₁, l₄, l₇ und l₁₀ zu einer Phase A und Windungen W₃, W₆, W₉ und W₁₂ mit gleichem Wicklungssinn auf den ausgeprägten Polen l₃, l₆, l₉ und l₁₂ zu einer Phase B und Windungen W₂, W₅, W₈ und W₁₁ mit gleichem Wicklungssinn auf den verbleibenden ausgeprägten Polen l₂, l₅, l₈ und l₁₁ zur Phase C verbunden. Drehvektoren T_A, T_B und T_C, welche erzeugt werden, wenn Strom durch die Windungen der Phasen A, B und C von oben nach unten in Fig. 2 fließt, haben einen Phasenwinkel von 120° im elektrischen Winkel und Drehvektoren, welche erzeugt werden, wenn Strom durch die Windungen der Phasen A, B, C von unten nach oben in Fig. 2 fließt, sind dann -T_A, -T_B, -T_C und folglich können somit Drehvektoren T_A, -T_C, T_B, -T_A, T_C, -T_B produziert werden, welche in einer vorbestimmten Richtung um 60° im elektrischen Winkel umlaufen.

Der Basis-Schrittwinkel Rs ist gleich 60/50 = 1.2° (Rs = 60/50 = 1.2°) (Drehvektor-Phasenwinkel (elektrischer Winkel)/Anzahl der Rotorzähne).

Zweite Ausführungsform

Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Dreiphasen- Hybrid-Schrittmotors gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht von einem Stator-Eisenkern und einem Rotor-Eisenkern des Schrittmotors. In Fig. 4 werden dieselben Bauteile wie jene aus Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und auf eine Beschreibung dieser Bauteile wird verzichtet.

Fig. 4 zeigt die Eisenkerne des Schrittmotors mit den Zahlen a = 7 und n=8, einer Anzahl von Rotorzähnen Z_R=12n+4=100 und Zahnbreiten von τ_s1=τ_s2=3.6°.

Die Verschiebungswinkel der Statorzähne 3, 4, welche in der inneren Peripherie der ausgeprägten Pole l₁, l₂, l₃, . . ., l₁₁, l₁₂ ausgebildet sind, gegenüber den Rotorzähnen 5, welche in der äußeren Peripherie des Rotor-Eisenkerns 2 gemäß Fig. 4 (d. h. die Anzahl der Rotorzähne beträgt Z_R=12n±4) ausgebildet sind, betragen für die ausgeprägten Pole l₁ bis l₁₂, im Uhrzeigersinn betrachtet, bei Pol l₁ beginnend:

(0/6)τ_R, (5/6)τ_R, (4/6)τ_R, (3/6)τ_R, (2/6)τ_R, (1/6)τ_R, (0/6)τ_R, (5/6)τ_R, (4/6)τ_R, (3/6)τ_R, (2/6)τ_R

und (1/6)τ_R, wobei die Rotor-Zahnbreite τ_R als Einheit gesetzt ist und sich bei

berechnet.

Folglich werden Phasenwindungen A, B und C gemäß Fig. 5 in jeder Phase an verschiedenen Polen befestigt. Der Basis Schrittwinkel R ist in diesem Fall gleich 60°/100 = 0.6° (R = 60°/100 = 0.6°).

Gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel hat der Stator- Eisenkern 1 sechs liniensymmetrische Achsen, die um je 30° verschoben sind, und weil die den Eisenkern bildenden Eisenbleche zum schrittweisen Aufbau fortlaufend um 60° gedreht werden, kann der Stator-Eisenkern gute magnetische und mechanische Gleichförmigkeit erreichen.

Weiterhin können die Phasenwindungen A, B und C sterngeschaltet nach Fig. 6(A) oder dreieckgeschaltet nach Fig. 6(B) sein, so daß die Anzahl der Schaltelemente Q₁, Q₂, . . ., Q₆ einer Ausgangsstufe von einem Antriebsstromkreis 10 gemäß Fig. 7 auf 6 reduziert werden kann.

Weil zur gleichen Zeit die Anzahl der Motor-Anschlußstellen 11, 12 und 13 des Antriebs-Stromkreises 10 ebenfalls auf 3 reduziert werden kann, kann der Antriebsstromkreis 10 billig und kompakt hergestellt werden.

Weil die Anzahl der elektrischen Leitungsdrähte von dem Dreiphasen- Schrittmotor M ebenfalls 3 beträgt, können die Kosten des Motors M reduziert werden, und die Verbindungsoperationen der Drähte mit dem Antriebs-Stromkreis 10 können vereinfacht werden.

Claims

1. Dreiphasen-Hybrid-Schrittmotor mit einem Stator (1), welcher zwölf radial angeordnete und bezüglich ihrer Mittellinie um 30° räumlich versetzte Pole (l₁ bis l₁₂) mit einer Vielzahl von Statorzähnen (3, 4) aufweist, welche in einer Oberfläche in jedem der ausgeprägten Pole (l₁ bis l₁₂) gegenüberliegend zu einem Rotor (2) ausgebildet sind, wobei abwechselnd ausgeprägte Pole des Stators mit einer Anzahl von a Statorzähnen und einer Zahnbreite τ_s1 und ausgeprägte Pole mit einer Anzahl von (a+1) Statorzähnen und einer Zahnbreite τ_s2 mit τ_s1τ_s2 angeordnet sind, und die Anzahl Z_R der Rotorzähne (5) durch Z_R=12n±2 oder Z_R=12n±4 gegeben ist, wobei die Zahlen a und n ganze Zahlen größer oder gleich 1 sind und wobei die Windungen (W₁, W₄, W₇, W₁₀; W₃, W₆, W₉, W₁₂; W₂, W₅, W₈, W₁₁) jeweils eines Stranges (A; B; C) 90° räumlich versetzte Pole (l₁, l₄, l₇, l₁₀; l₃, l₆, l₉, l₁₂; l₂, l₅, l₈, l₁₁) umschließen.

2. Dreihphasen-Hybrid-Schrittmotor nach Anspruch 1, wobei die Eisenbleche des Stator-Eisenkerns zum schichtweisen Aufbau fortlaufend um 60° gedreht sind.