DE8523360U1

DE8523360U1 - Synchronmotor

Info

Publication number: DE8523360U1
Application number: DE8523360U
Authority: DE
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1984-08-20
Filing date: 1985-08-14
Publication date: 1986-01-02
Also published as: JPS6152488U; JPH0218695Y2; ES8700810A1; NL8402542A; ES546207A0; US4920294A; EP0173389A1

Description

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"Synchronmotor"

Die Neuerung betrifft einen Synchronmotor mit einem Ständer und einem Läufer, der zwei koaxiale Läuferteile enthält, die auf dem Aussenumfang mit kreisförmig angeordne tön Laufersahnen versehen und van einem zwischen ihnen angeordneten, axial magnetisierten Dauermagneten axial getrennt sind, wobei der Ständer zwei gegenseitig magnetisch leitend verbundene koaxiale Ständerteile enthält, die mit je zumindest einer ringförmigen Koaxialspule versehen sind, die von einer magnetisch leitenden Schaltung

^⁰ eingeschlossen wird, die einerseits von einem Läuferteil und andererseits von dem die betreffende Ringspule umgebenden Ständerteil gebildet wird, wobei jeder Ständerteil in zwei koaxial angeordnete Ständerzahnsysteme mündet, die mit den Läuferzähnen über Luftspalte zusammenarbeiten und wobei, wenn eines dieser Ständerzahnsysteme nach den damit zusammenzrbeitenden Läuferzähnen ausgerichtet sind, die anderen Ständerzahnsysteme in bezug auf die damit arbeitenden Läuferzähne über im wesentlichen eine viertel eine halbe und eine dreiviertel Zahnteilung derart verschoben sind, dass diese Verschiebungen je Ständerteil um eine halbe Zahnteilung verschieden sind.

Ein derartiger Synchronmotor, unter welcher Bezeichnung auch Schrittmotoren verstanden werden, ist vom sog. Hybridtyp und u.a. aus der US-Patentschrift h 2θ6 37^ bekannt. Im dort beschriebenen Ausführungsbeispiel befindet sich der Magnet im Ständer, wobei angegeben ist, dass er sich auch im Läufer befinden kann. Die verschiedenen Zahnverschiebungen sind beim beschriebenen Motor durch die Anordnung der Ständerzähne an gegenseitigen Positionen O, \, £ und -£ Zahnteilung und durch die fluchtende Anordnung der Läuferzähne verwirklicht. In einer von der Firma N.V.Philips¹ Gloeilampenfabrieken auf den Markt gebrachten Ausführung des Motors gemäss der Beschreibung im Philips

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Data Handbook Components arid Materials, Book C17, Stepping motors arid associated electronics, 1984, Seiten 8 Und 9, ist die Verschiebung verwirklicht, indem die Läuferzähne an gegenseitigen Positionen für O₁ |j ■[ und ·£ Zahnteilung und die Ständerzähne fluchtend angeordnet werden.

Ein derartiger Schrittmotor hat den Nachteil, dass im Ständer fünf getrennte Teile miteinander verbunden werden müssen, d.h. zwei Teile je Stäriderteil (zum Aufnehmern der Spulen trennbar) mit einem Dauermagneten zwischen diesen Ständerteilen, was einen schwachen Aufbau bedeutet, Ausserdem ist es manchmal kompliziert, vier verschiedene Zahnstellungen auszurichten. Bei 50 Zähnen je Umdrehung beträgt der Schrittwinkel 1,8°. Eine Schrittwinkelgenauigkeit beispielsweise von 3$ erfordert dabei eine Ausrichtgenauigkeit von etwa 3 Bogenminuten. Das letzte Problem ist bei dem handelsüblichen Motor durch Anbringen der Zahnverschiebung auf dem Rotor und durch Ausfräsen der Läuferzähne in vier Ringen auf diesem Läufer durch Verdrehung dieses Läufers jeweils über eine viertel Zahnteilung be-

^2lJ seitigt. Dies erfordert jedoch genügend Raum in axialer Richtung zwischen diesen vier Zahnsystemen, und dieser Raum ist nicht mehr -verfügbar, wenn die Motorabmessungen verringert werden. In diesem Fall muss der Läufer aus vier getrennten Teilen hergestellt werden, wobei neben der baulichen Schwäche der Nachteil der Befestigung von vier Teilen unter vier verschiedenen Winkeln mit der erwähnten Genauigkeit auftritt.

Der Neuerung, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor vom eingangs erwähnten Typ mit einem festeren Aufbau und einer einfacheren Ausrichtung bei geringeren Abmessungen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass diese Verschiebungen dadurch verwirklicht sind, dass einerseits je Ständerteil die Zähne der beiden Systeme gegenseitig über eine halbe Zahnteilung, und zum anderen dadurch verwirklicht sind, dass die beiden Läuferteile in bezug aufeinander über eine viertel Zahnt-eilung verschoben sind. Durch die Verteilung der verschiedenen Zahn—

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verschiebungen auf die erwähnte Weise auf Läufer und Ständer befinden sich diese Zahnverschiebungen nur zwischen jenan Teilen, die sowieso zwischen der Herstellung aus Teilen zusammengefügt werden müssen. Denn die Ständerteile, zwischen denen eine halbe Zahnteilungsverschiebung angebracht werden muss, müssen aus getrennten Teilen zusammengefügt werden, um die Ringspule anordnen zu können und die beiden Läuferteile, zwischen denen eine Verschiebung über eine viertel Zahnteilung angebracht werden müssen, sind vom Dauermagneten getrennt. Der Aufbau hat sich dabei verstärkt, weil Ständer und Läufer aus je drei Teilen zusammensetzbar sind und die Ausrichtung ist einfacher, weil je Teil (Ständer und Läufer) nur ein Winkel ausgerichtet zu werden braucht. Die Zahnsysteme je Läuferteil weisen keine gegenseitige Verschiebung auf und können also trotz geringeren axialen Abstands ohne weiteres in einer Bearbeitungsphase gefräst werden.

Beim erfindungsgemäßen Motor ist es weiter vorteilhaft, dass die axial nebeneinander liegenden Ständerzahnsysteme beider Ständerteile ohne Axialtrennung zwischen den Zähnen der beiden Systeme von einem gemeinsamen Ständerzahnsystem gebildet sind, wobei sich diese Ständerzähne zwischen den beiden Läuferteilen erstrecken. Hierdurch können auch die Ständerteile der inneren Ständerzahnsysteme in nur einer Bearbeitung gebildet werden.

Hinsichtlich der Wirkung des Dauermagneten im Läufer ist es vorteilhaft, dass beide Läuferteile an den dem Dauermagneten zugewandten Seiten mit Ausnehmungen versehen sind, in die dieser Dauermagnet einragt. Hierdurch wird erreicht, dass das vom Motor erzeugte Moment sehr symmetrisch sein kann.

Für eine weitere bauliche Einfachheit und Festigkeit ist es ebenfalls vorteilhaft, dass die beiden äusseren Ständerzahnsysteme auf den Ständer mit in axialer Richtung abschliessenden Teilen versehen sind, die auf dem Innenumfang mit im wesentlichen zylindrischen Innenflächen versehen sind, auf denen diese äusseren Ständerzahnsysteme angebracht sind und sich in axialer Richtung bis ausserhalb

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der beiden Läüferteilö erstrecken _f wobei der Läufer mit einer Welle versehen ist, die über Lager in die sich ausser-* halb dieser Läuferteile erstreckenden Innenflächen aufgenommen ist.
Hierdurch werden zusätzliche Stirnplatten im Ständer vermieden, die die Lager tragen, wodurch sich die Anzahl der Ständerteile aut drei beschränkt.

AusfUhrungsbeispiele der Neuerung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erf indungsgeittäßen Motors,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Motors nach Fig. 1 in ausgebautem Zustand, Fig. 3 ein Diagramm vur Veranschaulichung der gegenseitigen Zahnpositionen im erfindungsgemäßen Motor und

Fig. k ein Diagramm mit möglichen Erregerströmen für den Motor nach Fig. 1 und 2 in Abhängigkeit von der Zeit.

In Fig. 1 ist ein Axialquerschnitt durch einen Motor nach der Erfindung dargestellt, wobei in Fig. 2 eine perspektivische Darstellung dieses Motors mit ausgebauten Teilen wiedergegeben ist. Der Motor enthält einen Läufer mit einer Welle 1, die in ein unteres Lag^r 2 und in ein oberes Lager 3 aufgenommen ist. Auf der Läuferwelle 1 ist ein zylindrischer, in axialer Richtung magnetisierter Dauermagnet k zwischen zwei Läuferteilen 5 und 6 angebracht, die aus je einem zylinderförmigen Körper bestehen, der jeweils in zwei Läuferzahnsysteme 7 und 8 bzw. 9 und 10 mündet. Die Körper der Teile 5 und 6 weisen auf den Magnet '· hin Ausnehmungen auf, so dass der Dauermagnet hineingeht, um die Flussführung von den axialen Stirnflächen dieses magneten nach einem jeden der Systeme der Zähne 7 und 8 bzw. 9 und 10 anzugleichen.

Der Ständer enthält einen im wesentlichen zylind-^· rischen Mittenteil 11a, der an der Innenseite in einen " zylindrischen Teil 11b mit geringerem Durchmesser mündet, der wenigstens in Höhe der Läuferzähne 8 bzw. 9 mit den Ständerzahnen 13 bzw. 14 versehen ist, die in diesem Beispiel durch nur ein Zahnsystem gebildet werden, die sich

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in axialer Richtung über diesen zylindrischen Teil 12 erstrecken. An der Unterseite ist der zylindrische Teil 11 mit einem Ständerteil abgeschlossen, der aus einer im ^:

wesentlichen flachen ringförmigen Platte 15a besteht und in einen Zylinderteil 15b mündet, der einerseits über einen ! Kunststoffkörper 16, der das Unterlager 2 trägt und wenigstens in Höhe der Läuferzähne 7 mit Ständerzähnen 17 ver- |, sehen ist, die bis zur axialen Stirnfläche der Platte 15a f* zum Tragen des Kunststoffkörpers 16 durchgehen, der bei— §'

IQ spielsweise in einem Spritzgussverfahren angebracht sein s kann. Der Kunststoff kann dabei bis zwischen den Zähnen 17 ) durchgehen. Die ringförmige Platte 15a ist stellenweise in bezug auf den zylindrischen Körper 11a zur Beschaffung ' von Raum für Befestigungslöcher 18 und 19 verbreitert. j An der Oberseite ist der Zylinderteil 11a von einem Ständer— ■ teil abgeschlossen, der aus einem im wesentlichen ring- ; förmigen Teil 20a besteht und in einen Zylinderteil 20b _t mündet, der einerseits über einen Kunststoffteil 21 das J Lager 3 trägt und andererseits wenigstens in Höhe der Läuferzähne 10 mit Ständerzähnen 22 versehen ist, wobei in diesem Ausführungsbeispiel diese Zähne bis in den Kunststoffkörper 21 durchgehen, um die Lagerung mit diesen Zähnen konzentrisch anbringen zu können.

Der Zylinderteil 11a bildet mit den Teilen 20a, 20b und 11b einen Raum, in den eine auf einem Träger 23 1 angebrachte Ringspule 2k aufgenommen ist, wobei die Eisen- : Teile 11b, 11a, 20a, 20b und der Läuferkörper 5 eine über Zähne 22, 10, 9 und 1^ verlaufende Magnetschaltung um diese Ringspule 2k herum bilden. Auf gleiche Weise bilden der Zylinderteil 11a mit den Teilen 15a, 15b und 11b einen « Raum, in den eine auf einem Träger 25 angebrachte Ringspule 26 aufgenommen ist, wobei die Eisenteile 11b, 11a, 15a, 15b und der Läuferkörper .1 eine Über Zähne Π. 8, 7 und 17 Verlaufende Magnetschaitung um die Ringsf-i;. * 26 herum bilden,

In Fig, 3 sind die gegenseitigen WirikeiVerhältnisse zwischen den Verschiedenen Ständer- und Rötöfzähnen dargestellt. Die Ständer-zahne 22 sind über 180° elektrisch, d.h.

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eine halbe Zahnteilung in bezug auf die Ständerzähne H* verschoben, die mit den Ständerzähnen 13 fluchten. Die Standerzähne 17 sind in bezug auf die Ständerzähne 13 über 180° elektrisch verschoben. Die Läuferzähne 10 und 9 sowie die Läuferzähne 7 und 8 verhalten sich fluchtend, während die Zahne 8 über 90° elektrisch, d.h. eine viertel Zahnteilung in bezug auf die Läuferzähne 9 verschoben sind. Auf diese Weise ist erreicht, dass, wenn sich die Läuferzähne 10 gegenüber den Ständerzähnen 22 befinden, die Läuferzähne 9, 8 bzw. 7 in bezug auf die Ständerzähne l*l, 13 bzw. 17 über 180°, 270° bzw. 90° oder auch £, ·£ bzw. £ Zahriteilung verschoben sind.

Die Zähne 10 und 9, 8 und 7 bzw. i4 und 13 fluchten wodurch sie in einer einzigen Bearbeitungsphase gebildet werden können. Die verschiedenen Winkelverdrehungen befinden sich zwischen den Zähnen 22 und 14, 13 und 17 bzw. 9 und 8. Die zugeordneten Teile müssen jedoch sowieso getrennt sein, weil zwischen den Teilen 20 und 11 bzw. 15 und 11 die Ringspulen Zh bzw. 26 und zwischen den Läuferteilen 5 und 6 der Dauermagnet angebracht werden müssen. Die verschiedenen Zahnausrichtungen erfolgen also zwischen jenen Teilen, die ohnehin getrennt sein müssen.

Im Ausführungsbeispiel sind die Zähne 13 und 14 axiale durchgehende Zahne. Es ist jedoch möglich, eine Trennung anzubringen, wie zwischen den Läuferzähnen 9 und bzw. 7 und 8. Umgekehrt ist es möglich, die Läuferzähne 9 und 10 bzw. 7 und 8 aus durchgehenden Zähnen zu bilden.

In Fig. h ist ein Erregerdiagramm für den neuerungsgemäßen Motor dargestellt. Die Kurve I₁ stellt dabei den Strom durch die Ringspule 24 und die Kurve I₂ den Strom durch die Ringspule 25 dar, wobei der Strom als positiv (+) gewertet wird, wenn das Feld derart ist, dass es in den Luftspaltan in Höhe der Ständerzähne 22 und 17 mit dem Feld des Dauermagneten k gleichgerichtet ist. Zwischen don Zeitpunkten t₁ und t_g ist der Strom I₁ positiv (I₂ s θ). Daö Dauermagnetfeld im Luftspalt in Höhe der Stäridefzähne 22 wird dabei verstärkt, Während das Feld ifl. Höhe der Ständerzahne Ik geschwächt wird» Die Läuferzahn«*

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richten sich dabei auf die Ständerzähne 22. Zwischen den Zeitpunkten t_g und U₃ ist der Strom I_£ positiv (I₁ = θ), wodurch sich die Läuferzähne 7'auf die Ständerzähne «7 richten und sich der Läufer also über 90° elektrisch dreht, d.h. £ Zahnteilung. Anschliessend wird der Strom I₁ negativ (I =0), wodurch sich die Läuferzähne 9 auf die Ständerzähne Ik richten und sich der Läufer wiederum über -Jr Zahnteilung dreht. Anschliessend wird der Strom I₂ negativ (I =0) und richten sich die Läuferzähne 8 auf die Ständerzähne 13, was wiederum eine Drehung des Läufers über £ Zahnteilung bedeutet. Auf diese Weise arbeitet der Motor als Schrittmotor. Werden statt der impulsförmigen Ströme I₁ und I₂ einem System gegenseitig über 90° verschobene Wechselströme I₁' und I₃ ¹ zugeführt, arbeitet der Motor als Synchronmotor.

In einer praktischen Ausführungsform ist der Motor zeichnungsgemäss mit einer Zahnteilung gleich 7,2 Raumgraden aufgeführt, also mit einem Schrittwinkel von 1,8° (-J-Zahnteilung;, so dass der Läufer in 200 Schritten eine Umdrehung ausführt.

Durch die besondere Verteilung der verschiedenen Winkelverschiebungen zwischen verschiedenen Zähnen auf Läufer und Ständer wird einerseits erreicht, dass das Ausrichten der Zähne weniger kompliziert ist, weil bei diesen Teilen, die nicht aus anderen Gründen trennbar zu sein brauchen, die Zähne in nur einer Bearbeitungsphase ohne gegenseitige Winkelverdrehungen gebildet werden können und weil sowohl im Ständer als auch im Läufer nur ein Winkel ausgerichtet· zu werden braucht (18O° im Ständer und 90° im Läufer) und zum anderen der Motoraufbau verstärkt wird, weil sowohl, der Ständer als auch der Läufer aus einer Mindestanzahl trennbarer Teile zusammengesetzt werden.

Das Einlassen des Dauermagneten k in die Läuferteile 5 und 6 ergibt einerseits eine Verringerung der axialen Länge und andererseits eine gute magnetische Symmetrie, weil die Magnetwiderstände des Eisenwegs Von der einen axialen Stirnfläche dieses Magneten Über die zugeordneten Lauferzähne zur anderen axialen Stirnfläche

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gleich gross gewählt werden können.

Zum Anbringen der Kunststoffkörper 21 und 16 teilweise zwischen den Zähnen 22 bzw. 17 wird einerseits < eine gute Zentrierung erhalten und andererseits werden

f 5 besondere Befestigungsplatten erspart, wodurch sich die

' Anzahl der Motorteile verringert. Wird dies nicht benutzt,

können Ständerzähne 22 und 17 in axialer Richtung auf im wesentlichen die gleiche Axialhöhe wie die der zugeord-

j neten Läuferzähne 10 und 7 beschränkt bleiben. Dabei sei

bemerkt, dass es vorteilhaft ist, wenn je Ständerzahnsystem mit zugeordneten Läuferzähnen einer der t>eÄden sich in axialer Richtung bis ausserhalb des anderen erstreckt, so dass eine geringere Axialverschiebung des Läufers in bezug auf den Ständer keine Auswirkung auf die wirksame

Zahnoberflache hat.

Es sei hier bemerkt, dass in einer von Anmelderin in einer gleichzeitig eingereichten Anmeldung beschrieben ist, zur Reduktion der axialen Höhe der Motoren, wie des hier beschriebenen Motors, beide Zahnsysteme je Läuferteil durch ein Zahnsystem zu ersetzen, diesem System die zugeordneten Ständerzähne gegenüberzustellen, indem sie sektor-

( weise angebracht werden und in der Umfangsrichtung gesehen

einander abwechseln. Die an Hand der Zeichnung beschriebene Verwirklichung der verschiedenen Zahnverschiebungen ist

bei einem derartigen Motor ebenfalls im Rahmen der Neuerung anwendbar.

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Claims

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Schutzansprüche!

_1φ Synchronmotor mit einem Ständer und einem Läufer, der zwei koaxiale Läuferteile enthält, die auf dem Aussenumfang mit kreisförmig angeordneten Läuferzähnen versehen und von einem zwischen ihnen angeordneten, axial magnetisierten Dauermagneten axial getrennt sind, wobei der Ständer zwei gegenseitig magnetisch leitend verbundene koaxiale Ständerteile enthält, die mit je zumindest einer ringförmigen Koaxialspule versehen sind, die von einer magnetisch leitenden Schaltung eingeschlossen wird, die einerseits von einem Läuferteil und andererseits von dem die betreffende Ringspule umgebenden Ständerteil gebildet wird, wobei jeder Ständerteil in zwei koaxial angeordnete Ständerzahi.systeme mündet, die mit den Läuferzähnen über Luftspalte zusammenarbeiten und wobei, wenn eines dieser Ständerzahnsysteme nach den damit zusammenarbeitenden Läuferzähnen ausgerichtet sind, die anderen Ständerzahnsysteme in bezug auf die damit zusammenarbeitenden Läuferzähne im wesentlichen über eine viertel, eine halbe und eine dreiviertel Zahnteilung derart verschoben sind, dass die Verschiebungen je Ständerteil um eine halbe Zahnteilung verschieden sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese Verschiebungen dadurch verwirklicht sind, dass einerseits je Ständerteil die Zähne der beiden Systeme gegenseitig über eine halbe Zahnteilung und andererseits die beiden Läuferteile in bezug aufeinander über eine viertel Zahnteilung verschoben sind.

ρ>_# Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axial benachbarten Ständerzahnsysteme der beiden Ständerteile ohne axiale Trennung zwischen den Zähnen der beiden Systeme von einem gemeinsamen Ständerzahnsystem gebildet sind, die sich zwischen den beiden Läuferteilen erstrecken.
3_# Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

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! gekennzeichnet, dass die beiden Läuferteile an den dem

Dauermagneten zugewandten Seiten mit Ausnehmungen versehen sind, in die dieser Dauermagnet einragt.

k. Synchronmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch

i 5 gekennzeichnet, dass die beiden äuss-eren Ständerzahnsysreme

auf den Ständer in axialer Richtung abschliessende Teile angebracht sind, die am Inneimmfang im wesentlichen mit zylindrischen Innenflächen versehen sind, auf denen diese \ äusseren Standerzahnsysteme angebracht sind, und sich in

1 10 axialer Richtung bis ausserhalb der beiden Läuferteile

I erstrecken, wobei der Läufer mit einer Welle versehen ist,

": die über Lager in die sich ausserhalb dieser Läuferteile

I erstreckenden Innenflächen aufgenommen ist.

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