NL7808466A - Stappenmotor. - Google Patents

Description

' ' ' ' « - ! - ..- % VO 5773

Exxon Research and Engineering Company Linden, New Jersey, Verenigde Staten van Amerika.

Stappenmotor.

De uitvinding heeft betrekking op stappenmotoren voor hoge prestaties van het lineaire of roterende soort, die gebruikt kunnen worden voor verschillende toepassingen, zoals bijvoorbeeld bij een elektronische schrijfmachine.

5 Stappenmotoren met een variabele reluctantie zijn op geschikte wijze als incrementele bewegingatransducenten toegepast.

Voor toepassingen die een hoge kracht-massaverhouding nodig maken zijn dergelijke stappenmotoren echter in bepaalde gevallen niet gebruikt, omdat de kracht die per eenheid bewegende massa ontwikkeld wordt niet 10 zo groot is als bij bepaalde gelijkstroaramotoren, zoals draaiende ge-lijkstroommotoren met een commutator en lineaire gelijkstroommotoren met een spreekspoel.

Het Amerikaanse octrooischrift No. 3.292.065 toont een stappenmotor met een variabele reluctantie van het lineaire soort.

15 Bij de uitvoering van dit octrooi, waarbij de grootste kracht-massa-verhouding bereikt wordt, wordt het statororgaan bij de verschillende poolposities aan beide zijden van de zich in de lengterichting uitstrekkende stator-stator luchtspleet bekrachtigd, d.w.z. dubbelzijdige bekrachtiging. De kracht-massaverhouding van de inrichting volgens dit 20 octrooi is echter cm twee redenen niet voldoende. Ten eerste maakt de opbouw volgens dit octrooi fluxlekkage in de lengterichting via de slede mogelijk. Hierbij zal opgemerkt worden, dat de niet-magnetische discontinuïteiten tussen de tanden van de slede relatief ondiep zijn, d.w.z. dat deze discontinuïteiten zich niet loodrecht of dwars op de 25 bewegingsrichting van de slede uitstrekken over een afstand die wezenlijk groter is dan de ruimte tussen de tanden. Bovendien zijn er geen extra discontinuïteiten van niet-magnetisch materiaal in de slede. Dienovereenkomstig kan er een vrijwel onbegrensde longitudinale flux-weg via het magnetische materiaal van de slede voor fluxlekkage tot 7808466 -2 - stand worden gebracht, hetgeen de krachtwaassa verhouding voor de slede van de motor verkleint. Ten tweede strekt de slede volgens dit octrooi zich voorbij de uiteinden van de stator naar buiten uit, zodat een wezenlijk gedeelte van de slede geen kracht opwekt cm de slede aan te 5 drijven. Bovendien wekt het sledegedeelte, dat zich buiten de lucht-spleet uitstrekt, eindeffekten op die nadelig zijn voor de aandrijving. Er zal ook opgemerkt worden, dat de uitvoeringen uit dit octrooi met de hoogste kracht- en massaverhouding statororganen nodig maken met windingen of bekrachtigingsorganen aan beide zijden van de zich in 10 de lengterichting uitstrekkende luchtspleet, die de slede opneemt.

Het Amerikaanse octrooischrift No. 3.867.676 toont ook een stappen-motor met variabele reluctantie van het lineaire soort met een dubbelzijdige bekrachtiging. Dit octrooi houdt zich niet duidelijk bezig met fluxlekkage in de lengterichting of de nadelige effekten daarvan 15 op de kracht-massaverhouding. Het is duidelijk, dat de minimale dikte van de slede volgens dit octrooi die een fluxlekkageweg in de lengterichting verschaft, altijd wezenlijk evenredig is aan de maximale dikte aan de uiteinden van de tanden, d.w.z., dat de minimale dikte tenminste 25I van de maximale dikte is. Er wordt niet gesproken over een 20 poging om de fluxlekkage in de lengterichting te minimaliseren en er is ook geen enkele suggestie in de beschrijving, dat een dergelijke fluxlekkage in de lengterichting geminimaliseerd is. In fig. 9, waarin de minimale fluxlekkage in de lengterichting bereikt wordt, omdat daar de dikte van de slede wezenlijk kleiner is dan de maximale dikte, 25 is de krachtwaas sa verhouding bijzonder klein. Deze kleine krachtwnassa verhouding is het resultaat van éên enkele tand per statorpool en een slede die altijd een wezenlijk gedeelte omvat, dat zich voorbij de statoropbouw uitstrekt en derhalve geen kracht opwekt.

Het Amerikaanse octrooischrift No. 3.162.796 toont 30 ook een stappenmotor met variabele reluctantie van het lineaire soort, maar toont geen belangstelling voor het verkrijgen van een hoge kracht-massa verhouding. In alle uitvoeringsvormen volgens dit octrooi is er een enkele tand per statorpool en de slede strekt zich uit voorbij de statoropbouw, zodat er een kleine kracht-massa verhouding opgewekt 35 wordt. In bijna alle uitvoeringsvormen volgens dit octrooi is er geen 78 0 8 4 6 6' .-3- * ^ statoropbouw aan het inwendige van de cilindrische slede en de minimale dikte van de slede is bijna even groot als de maximale dikte, zodat het terugkeren van de flux in de lengterichting door de slede mogelijk gemaakt wordt, hetgeen noodzakelijkerwijs de kracht- en massa-5 verhouding verkleint. De Uitvoeringsvorm volgens de fig. 1U en 15 toont het gebruik van een inwendige statoropbouw die een 'Verkleining van gewicht" van de slede mogelijk maakt, alhoewel er niet gesuggereerd wordt, dat de kracht-massa verhouding vergroot wordt terwijl de vorm van de tanden elke doelmatige krachtopwekking door de uitwendige stator-10 opbouw in fig. 1^ uitsluit en de inwendige statoropbouw in fig. 1U een lage kracht-massa verhouding doen veronderstellen. In samenhang met fig. 1U wordt er gesuggereerd, dat het gedeelte van de slede tussen de tanden zelfs een. niet te magnetiseren materiaal kan omvatten. Er wordt echter niet gezegd, dat het niet te magnetiseren materiaal geko-15 zen is terwille van het begrenzen van de fluxlekkage in de lengterichting en de suggestie, dat het materiaal "austenitisch borium staal" is sluit een verdere gewichtsverkleining uit.

Een artikel met de titel Characteristics of a Synchronous Inductor Motor, Snowdon en Madsen, Transactions AIEE (Aapplica-20 tions in Industry) vol. 8, biz. 1-5» maart 1962 toont een stappen-motor die opgenomen is in de stator. De kracht-massa verhouding is echter relatief klein, omdat de rotor als een longitudinale fluxfcerug-keerweg werkt voor een enkelzijdige stator. Cto deze longitudinale flux-terugkeerweg te verschaffen is de minimale dikte van de rotor tussen 25 de tanden van de rotor wezenlijk evenredig aan de maximale dikte van de rotor bij de tanden. Een artikel met de titel A Self-Oscillating Induction Motor for Shuttle Propulsion, Laithwaite en Lawrenson,

Proceedings IEE, vol. 10U, part A, No. 1^, april 1957, suggereert dat de rotor van Snowdon en Madsen afgewonden zou kunnen worden. De resul-30 terende slede zou echter nog steeds een longitudinale fluxterugkeer-weg moeten verschaffen voor een enkelzijdige slede. Zelfs wanneer de slede dus verkort zou worden, zoals getoond in het artikel met de titel "Linear Induction Motors", Laithwaite, IEE, paper No. 2^-33 u, december 1957, zou de slede nog steeds een relatief kleine kracht-massa 35 verhouding hebben en hoewel deze kracht-massaverhouding vergoot zou 78 0 8 4.6 6 , -u - kunnen worden door gebruik te maken van de dubbelzijdige stator, die getoond wordt in Linear Induction Motors, begrenst de configuratie van de slede met de fluxlekkage in de lengterichting ervan de kracht-massa-verhouding nog steeds aanzienlijk.

5 De uitvinding heeft tot doel om een stappenmotor te verschaffen met een hoge kracht-massaverhouding.

De uitvinding heeft verder tot doel om een stappenmotor te verschaffen met geometrische voordelen in combinatie met een hoge kracht-massaverhouding.

10 Het is ook een doel van de uitvinding om te voorzien in een stappenmotor voor een relatief lage kostprijs, terwijl de hoge kracht-massaverhouding gehandhaafd wordt.

Overeenkomstig deze en andere doeleinden van de uitvinding omvat een stappenmotor voor hoge prestaties een statororgaan 15 met een aantal poolposities, waarbij elk van de poolposities een aantal magnetische statorelementen aan tegenover gelegen zijden van. een stator-stator luchtspleet omvat, waarbij niet-magnetisch materiaal in de ruimtes tussen de uiteinden van de. magnetische statorelementen aan tegenovergestelde zijden van de luchtspleet geplaatst is. Bij de magnetische 20 statorelementen bij de verschillende poolposities behoren gewonden organen die aangepast zijn om geactiveerd te worden cm zo dwars op de spleet fluxwegen op te wekken.

In de luchtspleet is een passief, beweegbaar orgaan geplaatst. Het passieve, beweegbare orgaan omvat een aantal passieve, 25 magnetische, beweegbare elementen, die gescheiden zijn door niet-magnetisch materiaal. De beweegbare elementen hebben uiteinden die geplaatst zijn naast de uiteinden van de activerende elementen cm zo de dwarse fluxwegen door de beweegbare elementen heen te sluiten. Overeenkomstig deze uitvinding zijn het beweegbare orgaan en de beweegbare elementen 30 altijd opgesloten in de luchtspleet, terwijl magnetische kracht aan beide zijden van de luchtspleet werkt, en het beweegbare orgaan omvatten verder niet-magnetische discontinuïteiten, omvattende niet-magnetisch materiaal, om zo elke wezenlijke longitudinale fluxlekkage te elimineren.

35 De activerende organen omvatten overeenkomstig de uit- 7808466 i ; - 5 - r <» vinding verder discontinuïteiten in het magnetische materiaal, om- vattende niet-magnetisch materiaal tussen de uiteinden van de passieve elementen, om zo de fluxlekkageweg in de bewegingsrichting van de pas-' sieve organen te verkleinen tot minder dan 25# van de flux via de 5 dwarse fluxwegen.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding verkleinen discontinuïteiten in het magnetische materiaal de fluxlekkagp tot minder dan 10# van de flux via de dwarse fluxwegen. Tegelijkertijd verkleinen de discontinuïteiten die niet-magnetisch materiaal omvat-10 ten, de massa van het beweegbare orgaan om zo de kracht-massaverhou-ding van het beweegbare orgaan maximaal te maken. In voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding is de longitudinale fluxlekkage van het beweegbare orgaan geminimaliseerd en de kracht-massaverhouding is maximaal gemaakt door te voorzien in discontinuïteiten die de minimale 15 dikte van het beweegbare orgaan begrenzen tot minder dan 25# van de maximale dikte aan de uiteinden van de beweegbare elementen en bij voorkeur minder dan 15#.

De discontinuïteiten in het beweegbare orgaan kunnen gevormd worden door het beweegbare orgaab aan tegenovergestelde zij-20 den ervan te voorzien van een aantal tanden om zo elementen te vormen die naast de statorelementen geplaatst zijn. Er kunnen in het beweegbare orgaan gaten aangebracht zijn cm extra discontinuïteiten te verkrijgen. Anderzijds kan het beweegbare orgaan discrete elementen omvatten die gescheiden worden door discrete elementen uit niet-magne-25 tisch materiaal ertussen.

Overeenkomstig een ander belangrijk oogmerk van de uitvinding kan het beweegbare orgaan de vorm hebben van een slede, zoals in het geval van een lineaire motor, of een rotor, zoals bij een draaibare motor. Wanneer het beweegbare orgaan een slede omvat, is 30 de slede kort ten opzichte van de lengte van de stator. Wanneer het beweegbare orgaan een rotor omvat, kan het beweegbare orgaan wezenlijk vlak zijn wanneer het gebruikt wordt in een stappenmotor met een axiale luchtspleet of de rotor kan komvormig zijn voor gebruik in een stappenmotor met een radiale luchtspleet.

35 Overeenkomstig een ander belangrijk aspect van de uit- 7808466 - 6- vinding kunnen de gewonden organen die "behoren bij de activerende organen beperkt zijn tot een enkele zijde van de luchtspleet. Deze enkelvoudige bekrachtiging kan zowel in lineaire stappenmotoren als in draaibare stappenmotoren toegepast worden hetgeen belangrijke geometrische 5 voordelen oplevert, d.w.z.· dat het elimineren van de windingen aan een zijde van de luchtspleet een grotere vrijheid verschaft bij het bevestigen van de motor en het vastmaken van belastingen aan het beweegbare orgaan. Wanneer enkelzijdige bekrachtiging toegepast wordt, is het bijzonder belangrijk om een kleine, longitudinale fluxlekkage 10 door het beweegbare orgaan te verkrijgen om zo de kracht-massaverhou-ding maximaal te maken. Het is ook belangrijk om longitudinale fluxlekkage te minimaliseren om zo te verzekeren, dat de krachten op het beweegbare orgaan aan elke zijde van de luchtspleet vrijwel gelijk of gebalanceerd zijn.

15 De uitvinding zal in het hierna volgende aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld nader beschreven worden onder verwijzing haar de tekening. Hierin toont:

Fig. 1 een aanzicht van een lineaire stappenmotor volgens de uitvinding; 20 fig. 2 een vergroot, gedeeltelijk schematisch aanzicht van een slede in de luchtspleet van de stappenmotor uit fig. 1 bij een poolpositie; fig. 3 een gedeeltelijk, een weinig vergroot aanzicht van een lineaire stappenmotor volgens de uitvinding; 25 fig. k een vergroot aanzicht van de slede in de line aire motor uit fig. 3; fig. 5 een aanzicht van een andere slede die de principes van deze uitvinding belichaamt; fig. 6 een aanzicht van weer een andere slede welke 30 de principes van deze uitvinding belichaamt; fig. 7 een tekening in perspectief met uiteengenomen delen van een draaibare motor met een axiale luchtspleet, welke de principes van deze uitvinding belichaamt; fig. 8 een bovenaanzicht van de rotor uit fig. 7; 35 fig· 9 een doorsnede langs de lijn IX - IX uit fig. 8; 7 8 0 8 4 6 6 .......7 .....

* «* fig. 10 een doorsnede langs de as van een draaibare motor met een radiale luchtspleet, welke de principes van deze uitvinding belichaamt; fig. 11 een doorsnede van de motor uit fig. 10 langs 5 de lijn XI - XI uit fig. 10; en fig. 12 een doorsnede van de rotorkam van de motor uit fig. 10 langs de lijn XII - XII uit fig. 10.

In fig. 1 wordt een lineaire stappenmotor met variabele reluctantie getoond, die een stator 10 omvat. De stator 10 cmvat 10 een actief gedeelte 12 en een niet-actief gedeelte 14, welke samen een stator-naar-stator luchtspleet 16 tussen een aantal poolposities 18^, iSg, 18^ en 18^ vormen. Bekraehtigingsorganen in de vorm van windingen 20^, 202, 20^ en 20^ zijn bij elk van de poolposities 1- 18^ aan het actieve gedeelte 12 van de stator 10 aangebracht. Door gebruik 15 te maken van een enkelzijdige activatie, kan de opbouw aan éên zijde van de luchtspleet vrijwel geëlimineerd worden om zo wezenlijke geometrische voordelen, bezuinigingen bij de fabrikage en gewichtsverklei-ning te verschaffen. Het wordt echter bijzonder belangrijk om longitudinale fluxlekkage via de slede 22 te begrenzen cm een maximale gebalan-20 ceerde kracht op het passieve, beweegbare orgaan te verkrijgen.

Het passieve, beweegbare orgaan in de vorm van een slede 22 is in de luchtspleet 16 geplaatst voor een lineaire beweging langs de verschillende pooolposities 18^ Zoals het beste in fig. 2 getoond wordt, omvat de slede 22 een aantal passieve, magnetische be-25 weegbare elementen of tanden 2b, die zich in de lengterichting door de luchtspleet 16 heen en langs de slede 22 uitstrekken. De tanden 2b werken samen met statorelementen of tanden 26 van de stator 10 aan beide zijden van de luchtspleet 16 bij elk van de poolposities 18^^ cm zo transversale, magnetische fluxwegen over de spleten 16 te sluiten.

30 Overeenkcmstig deze uitvinding omvat, zoals getoond in fig. 2, de slede 22 wezenlijke, niet-magnetische discontinuïteiten in de vorm van niet-magnetisch materiaal 28 tussen de tanden 2b, hetgeen vrijwel elke longitudinale fluxlekkage via de slede 22 elimineert terwijl tegelijkertijd het gewicht van de slede verkleind wordt, waar-35 door de kracht-massa verhouding van de motor maximaal gemaakt wordt.

"808466 -8 -

Verder is overeenkomstig deze uitvinding, zoals getoond in fig. 1, de slede 22 kort ten opzichte van de totale lengte van de luchtspleet 16 om er zo voor tezorgen, dat de slede 22 en alle tanden 2k altijd opgenamen zijn in de luchtspleet 16 om zo de kracht verder te vergro-5 ten en enig eindeffekt op de slede 22 te elimineren. Dit zorgt ervoor, dat de kracht ten opzichte van vrijwel alle sledetanden 2h opgewekt wordt. In fig. 2 wordt de slede 22 schematisch getoond, met niet meer dan "bewegende tanden 2h gescheiden door niet-magnetisch materiaal 28, omvattende luchtspleten die zich volledig over de slede 22 uitstrek-10 ken. In werkelijkheid moeten de tanden structureel met elkaar verbonden zijn alhoewel het gewicht van de verbindingsopbouw bij voorkeur geminimaliseerd wordt om een hoge kracht-massa verhouding te verkrijgen.

In de fig. 3 en U wordt de slede 22 getoond omvattende discrete en vaste, magnetische inzetsels en de windingen 20^, 202, 20^ en 20^ 15 warden meer gedetailleerd getoond. ? ' *

Zoals getoond in fig. 3 is elk van de twee windingen 201 in serie verbonden, evenals de twee windingen 20,,. Een veelfazige aandrijving of bron is met de windingen 20^ en 202 verbonden, zodat een faze verbonden is met de windingen 201 en een andere faze P2 20 verbonden is met de windingen 202· Op gelijke wijze zijn andere aan-drijffazen verbonden met de gedeeltelijk getoonde windingen 20^ en 20zodat de windingen 20^ ^ achtereenvolgens geactiveerd worden om achtereenvolgens de poolposities 18^ ^ te bekrachtigen.

Zoals getoond in fig. 3 zijn de tanden 2b bij de pool-25 positie 18^ precies geplaatst langs de tanden 26 bij diezelfde pool-positie, terwijl de tanden 2b bij de resterende poolposities versprongen zijn ten opzichte van de tanden 26. Dit is een resultaat van de gelijktijdige bekrachtiging van de windingen 202, 20^ en 20^ gedurende een van de acht fazen of activatiestappen. De fluxwegen F ,

P

30 die zich longitudinaal door de stator 10 heen en dwars over de slede 22 uitstrekken, worden in fig. 1 voor een gelijktijdige bekrachtiging van de windingen 20g, 20^ en 20^ getoond. Gedurende de volgende of tweede activatiefaze worden de windingen 20^ en 20^ bekrachtigd cm zo de slede 22 over een afstand die gelijk is aan 1/8 van de steek p van 35 ie tanden 26 te bewegen. Bij de volgende activatiefaze worden de win- 7808466 ~ 9 " '

' I. J

dingen 20^» 20^ en 20^ tegelijkertijd bekrachtigd om zo een andere stapbeweging te vormen, welke overeenkomt met 1/8 van de steek p van de tanden 26 bij een nauwkeurig in lijn zijn van de tanden 2b en de tanden 26 bij de poolpositie 18^. Deze incrementele beweging van de sle-5 de 22 gaat overeenkomstig aan vakmensen welbekende principes voort.

Anderzijds kunnen vier activatiefazen gebruikt worden om een gestapte afstand van 1A van de steek p tussen de voorranden of achterranden van twee aangrenzende tanden 26 te verkrijgen bij elk van vier opeenvolgende activaties van windingen.

10 Zoals eerder gesteld is is de longitudinale fluxlekka- ge via de slede 22, d.w.z. de longitudinale fluxlekkage in de richting van de longitudinale beweging via de luchtspleet 16 geminimaliseerd, om zo een grote kracht-massa verhouding te verkrijgen. Deze minimale longitudinale stator- of fluxlekkage wordt verkregen door te voorzien 15 in duidelijk bepaalde magnetische tanden 2b met'wezenlijk niet-magne-tisch materiaal daartussen om zo de longitudinale flux door de slede 22 vrijwel of geheel te elimineren. In de andere nog te beschrijven uitvoeringsvormen van de uitvinding is de longitudinale flux minder dan 25% van de transversale flux en bij voorkeur minder dan 10%. In de uit-20 voeringsvorm uit de fig. 1 - b kunnen de tanden 2b door lijmen bevestigd worden aan de niet-magnetische materiaalmnzetsels 28. Men heeft gevonden, dat het niet-magnetische materiaal met glas gevuld epoxy of keramiek kan omvatten en een bijzonder geschikt kleefmiddel is een epoxyhars. Zoals getoond in fig. 2 wordt transversale flux aangegeven met 25 een pijl F^ en longitudinale flux met een pijl F^. Omdat de longitudinale flux vrijwel geëlimineerd is in deze uitvoeringsvorm is de pijl FT gestippeld getoond. Door het elimineren van de longitudinale flux- ll lekkage wekt alle flux, die opgewekt wordt door de stator 10, een bruikbare kracht op voor de slede. Verder betekent de afwezigheid van 30 een longitudinale fluxlekkage, dat de krachten die aan elke zijde van de luchtspleet op de slede 22 uitgeoefend worden, gebalanceerd zijn cm zo ongewenste aantrekkingskrachten tussen de slede 22 en êén zijde van de stator 10 te voorkomen.

Overeenkomstig het nastreven van een hoge kracht-35 massa verhouding voor de slede 22, hetgeen bereikt wordt door het f808466 -10 - minimaliseren van het gewicht van het materiaal 28, omvat elke pool-positie 18^ ^ een aantal tanden 26 om zo de kracht die hij elke pool-positie opgewekt wordt, maximaal te maken. Er zijn acht van dergelijke tanden 26 getoond alhoewel ieder aantal tanden per pool gebruikt kan 5 worden, maar de tanden zijn bij voorkeur dun. om de kracht maximaal te maken en wervelstramen te minimaliseren. Vanzelfsprekend zou het aantal tanden 2k in de slede 22 overeenkomstig aangepast worden.

In fig. 5 wordt een andere slede 32, welke opgebouwd is overeenkomstig de principes van de uitvinding, getoond. Zoals daar 10 getoond wordt, steken tanden over bediende elementen 3^· naar buiten vanuit een centraal ondersteuningsgedeelte 36, dat slechts weinig toevoegt aan het gewicht en slechts een zeer kleine weg voor ongewenste, longitudinale fluxlekkage vormt. Het niet-magnetische materiaal tussen de tanden 3^·, dat gevormd wordt door luchtruimten 38, strekt zich over 15 een wezenlijk grotere afstand loodrecht op de richting van de longitudinale beweging door de luchtspleet 16, die in fig. 3 getoond wordt, uit dan de dikte van het ondersteuningsgedeelte 36, d.w.z. de minimale dikte van de slede.

Overeenkomstig deze uitvinding hebben de tanden 3^ 20 van de slede 32 voldoende hoogte, zodat de minimale dikte t^·^ bij het ondersteuningsgedeelte 36 minder is dan 25# van de maximale dikte t en bij voorkeur minder dan 15#. max

Zoals door de pijl aangegeven wordt is er enige longitudinale flux door het ondersteuningssegment 36 van de in fig. 5 25 getoonde passieve slede. De longitudinale flux F^ is steeds minder dan 25# van de transversale flux F^ en bij voorkeur minder dan 10#.

Als resultaat hiervan wordt een hoge kracht-massaverhouding verkregen. Men zal vanzelfsprekend begrijpen, dat de slede 32 bedoeld is cm gebruikt te worden in de stator uit fig. 1 en 3 en dat de slede derhalve 30 kort is ten opzichte van de totale lengte van de stator 10 en dat de tanden 3¼ wat betreft aantal en onderlinge afstand overeenkomen met de tanden 2k.

Fig. 6 toont weer een andere passieve slede k2 met een aantal passieve elementen of tanden IA, die geplaatst zijn aan 35 tegenoverliggende zijde van een ondersteuningselement k6t dat ook 7808466

%. A

-11 - aangepast is voor gebruik met de stator uit de fig. 1 en 3. Qm de longitudinale flux door het ondersteuningssegment k6 te begrenzen en de transversale flux F^ maximaal te maken, cnrvat het ondersteuningssegment k6 een aantal openingen 50 met verschillende afmetingen en con-5 figuraties, welke de longitudinale fluxweg verminderen en er verder toe dienen cm de massa van de in fig. 6 getoonde slede te verkleinen. Als resultaat hiervan is de kracht-massaverhouding van de lineaire motor aanzienlijk vergroot.

Hoewel de slede uit fig. 6 wat uitvoering betreft wat 10 verschilt van die uit fig. 5, kan deze ook gebruikt worden met de stator uit fig. 1 en de kritische samenhang die besproken is met betrekking tot de slede uit fig. 3 is ook hier toepasselijk. Bijvoorbeeld is de effectieve, minimum dikte t . , + t . 0 nog steeds kléin ten op min I min d zichte van de maximum dikte t . d.w.z. minder dan 25% en bij voorkeur max 15 minder dan 15%

In de uitvoeringsvorm uit fig. 6 en de uitvoeringsvorm uit fig. 3 is de longitudinale fluxlekkage F^ wezenlijk gereduceerd ten opzichte van de transversale flux F^. Meer in het bijzonder is de longitudinale flux minder dan 25% van de transversale flux en bij 20 voorkeur minder dan 10%. Men zal begrijpen, dat er bij deze uitvoeringsvorm enige longitudinale fluxlekkage rond de openingen 50 is omdat de transversale fluxwef F^ dit nodig maakt. Dienovereenkomstig moeten t · , en t · „ voldoende zijn cm de transversale flux een plaats min 1 mm d te bieden en bij voorkeur zijn t . . en t . 0 groter dan tweemaal min i mm d 25 de tandbreedte t .

v

Zoals gebruikelijk is met de maximale dikte of maximale effektieve dikte bedoeld de dikte van de slede, of het ondersteuningssegment in het algemeen, dwars op de luchtspleet 16. Men zal vanzelfsprekend begrijpen, dat de sledes uit de fig. 1 - 6 een dikte hebben 30 in een richting loodrecht op de richting van de transversale en longitudinale flux, d.w.z. in een richting gezien in de luchtspleet 16 uit de fig. 1 en 3. In feite kan deze aiineting, die de breedte genoemd zal worden, wezenlijk groter zijn dan de maximale dikte van de slede in een richting in het algemeen evenwijdig aan de transversale flux. Ver-35 der zal men begrijpen dat de sledes 22, 32 en b2 en de stator 10 over 7808466 -12 - de breedte van de slede een aantal lamellen omvatten om zo overeenkomstig de welbekende praktijk wervelstromen te reduceren.

In de fig. 7-9 wordt een draaibare stappenmotor met variabele reluctantie en een axiale luchtspleet getoond, welke de 5 principes van deze uitvinding belichaamt. Meer in het bijzonder omvat de in fig. 7 getoonde motor een stator 110 met een actief gedeelte 112 en een niet-actief gedeelte 1ib. In andere woorden, de stator 110 wordt aan slechts één zijde van een luchtspleet 116, die ten gevolge van de in onderdelen uiteengenomen perspectieve tekening uit fig. 5 10 vergroot is, geactiveerd. De stator 110 vormt een aantal poolposities 118.J, 1182, 118^ en 118^. Windingen 120^ 1202, 120^ en 120^ zijn rond zich axiaal uitstrekkende gedeelten van de poolopbouw, bij elk van de poolposities 118^ gewikkeld.

Het geactiveerde of actieve gedeelte 112 van de stator 15 110 omvat zelf-ondersteunend, magnetisch materiaal, dat een aantal actieve elementen of tanden 126 vormt bij elke poolpositie, welke over de luchtspleet 116 geplaatst zijn naast een aantal statortanden 130 die staven omvatten, welke in een ondersteuningselement 132 van het niet-geactiveerde gedeelte 11U van de stator 110 bevestigd zijn. Men 20 zal begrijpen, dat de tanden 130 van de verschillende poolposities 118 ^ _ ^ van het niet-geactiveerde gedeelte 11^ precies in lijn zijn met de tanden 126 aan het geactiveerde gedeelte 112 bij de verschillende poolposities 11Ö-|_^·

Verder omvat overeenkomstig de principes van de uit-25 vinding een passief beweegbaar orgaan in de vorm van een rotor 122 een niet-magnetisehe ondersteuningsopbouw 128, welke een aantal discrete magnetische elementen of staven 12k ondersteunt en magnetisch scheidt. Zoals getoond wordt in fig. 9 strekken de staven 12^ zich volledig uit door het niet-magnetische materiaal 128 van de rotor 122.

30 Zoals getoond in fig. 8 zijn de staven 12U gelijkmatig verdeeld op radiale lijnen rond de rotor 122. Terwille van de eenvoud zijn niet alle staven 12^ getoond.'Men zal echter begrijpen, dat zij gelijkmatig verdeeld zijn over 360°.

De windingen 120^ worden op dezelfde wijze als de 35 windingen 201 ^ selectief bekrachtigd. Meer in het bijzonder kunnen de 7808466 -13 - vindingen bekrachtigd vorden op de wijze die in het voorgaande besproken is. Met een dergelijke bekrachtiging zal de rotor 122 voortgaan over 1/8 van de steek tussen de tanden 126 cm zo een nauwkeurig in lijn zijn van de staven 12¾ en de tanden 126 en 130 met ëên van de pool-5 posities 118^ ^ tij elke andere bekrachtigingsfaze tot stand te brengen.

Hoewel dit niet getoond is, zal begrepen worden, dat een draaibaar ondersteunirigselement zich uit zou strekken door de opening 130 van de totor 122 tot in een dragende ondersteuningsope-10 ning 132 van het niet-geactiveerde of niet-actieve gedeelte 11¾ en een gelijke ondersteuningsopening in het geactiveerde of actieve gedeelte 112 van de stator 110.

In de uitvoeringsvorm uit de fig. 7 - 9, is de flux-lekkage in een richting evenwijdig of samenvallend met de draaibewe-15 ging van de rotor 122 geëlimineerd. Dit is bereikt door iedere magnetische weg tussen de staven 12¾ te elimineren. Men zal begrijpen, dat verschillende ontverpkenmerken van de lineaire slede, die in fig. 5 en 6 getoond wordt, opgenomen zou kunnen worden in de rotor 122, terwijl nog steeds de zeer belangrijke, lage longitudinale fluxlekkage 20 verkregen zou worden om zo een hoge kracht-massaverhouding voor de rotor 122 te bevorderen. De rotor 122 die analoog is aan de slede 22 kan bijvoorbeeld gevormd worden op de wijze van de slede die in fig. 5 getoond wordt, waarbij de tanden aangrenzend zijn aan een magnetisch ondersteuningsgedeelte en de totale dikte t^ van dat magnetische on-25 dersteuningsgedeelte voldoende klein is ten opzichte van de totale of maximum dikte t van de rotor om zo de longitudinale fluxlekkage

m£LX

te verkleinen tot minder dan 25$ van de transversale flux door de luchtspleet 116 en bij voorkeur tot minder dan 10$. Op gelijke wijze zou het ontwerp van de slede ¾2 die in fig. 6 getoond wordt, opgencmen 30 kunnen worden in de rotor 122 om zo een verkleinde longitudinale fluxlekkage en een hoge kracht-massaverhouding te verkrijgen.

De fig. 10 - 12 tonen een draaibare stappenmotor met variabele reluctantie en een radiale luchtspleet die ook de principes van de uitvinding belichaamt. Ook hier wordt de stator 210 aan één 35 enkele zijde geactiveerd. Meer in het bijzonder cmvat de stator 210 7808466 -1¼ - een actief gedeelte 212, ,dat bij de verschillende poolposities 218^_^ amwikkeld is met de windingen 2201 ^ en een niet-actief gedeelte 21¼. Br is een radiale luchtspleet 216 gevormd tussen actieve elementen of tanden 22¼ aan tegenovergelegen zijden van de luchtspleet 216.

5 Zoals het best in fig. 11 getoond wordt, omvat het ge activeerde gedeelte 212 van de stator 210 een aantal actieve elementen of tanden 226 die gescheiden worden door niet-magnetisch materiaal in de vorm van luchtspleten bij elk van de poolposities 218^_^. Op een gelijke wijze zijn de tanden 226 in het niet-geactiveerde of niet-10 actieve gedeelte 21¼ van de stator 210 gevormd.

Overeenkomstig deze uitvinding omvat een rotor 222 die zich uitstrekt tot in de axiale luchtspleet 216 een aantal discrete, passieve elementen of staven 22¼ die gedragen en van elkaar gescheiden worden door niet-magnetisch materiaal 228 dat een rotorkom 15 230 vormt. Zoals in de fig. 9 en 10 getoond wordt, strekken de staven 22¼ zich uit door de rotorkom 230 heen cm in dichte nabijheid van de actieve elementen of tanden 226 van de stator 210 te zijn.

Zoals getoond in fig. 10 en 11 wordt de rotorkom 230 ondersteund door een as 232 die zich uitstrekt door het geactiveerde 20 gedeelte 212 van de stator 210 en een behuizing 23¼. Een ringvormig gedeelte 236 strekt zich vanuit de kom 230 naar buiten toe uit en kan aan een geschikte belasting bevestigd worden.

Evenals bij de vorige uitvoeringsvormen kan in de uitvoeringsvorm uit de fig. 10 - 12 met de radiale luchtspleet een rotor 25 toegepast worden die analoog is aan de slede uit fig. 5 en 6. Meer in het bijzonder kan de rotorkom in een geheel gevormd worden uit het magnetische rotormateriaal, waarbij het ondersteuningsgedeelte voor de tanden van de rotorkom in dikte geminimaliseerd is om de longitudinale flux wezenlijk te verkleinen of te elimineren.

30 Bij de verschillende in het voorgaande beschreven uit- ’ voeringsvormen wordt de stator slechts aan een zijde geactiveerd.

Met een dergelijke enkelzijdige activatie is het bijzonder belangrijk cm de longitudinale fluxlekkage door de slede of rotor te minimaliseren en alle longitudinale fluxlekkage tot de stator te begrenzen. Dit 35 verzekert het opwekken van de maximale kracht, terwijl men wezenlijke 7808466 * V' -15 - topologische voordelen verkrijgt, d.w.z. dat de windingen slechts aan êên zijde van de luchtspleet geplaatst behoeven te worden. Tegelijkertijd kan men besparingen bij de fabrikage en verkleining van het motor-gewicht verkrijgen. De principes van deze uitvinding zijn echter ook 5 toe te passen op een stappenmotor, waarin beide zijden van de stator door windingen bekrachtigd worden.

Onder verwijzing naar de fig. 1 en 3 is een meerfa-zige aandrijving in samenhang met de windingen 20^ beschreven. Bovendien is beschreven, dat de meerfazige aandrijving voorziet in de 10 selectieve activatie van de windingen in vier verschillende fazen, om het de slede 22 zo mogelijk te maken om bij elke afzonderlijke faze voort te gaan over 1/U van de steek van de tanden. Zoals getoond in de fig. 1 en 3 zijn de windingen 20^ in serie verbonden, evenals de windingen 202· Deze serie-configuratie geniet de voorkeur, omdat deze 15 de wisselstroomcamponent van de flux die door een bepaalde pool heen gaat, wanneer de slede niet in de nabijheid van die pool is, minimaliseert. De windingen 20behoeven echter niet in serie verbonden te zijn. Men beschouwt het in het algemeen ook voordelig om de pool zo te activeren, dat aangrenzende polen tegengestelde polarisatie hebben.

20 In de meeste gevallen, waarin een snelle beweging gewenst is, zal de hoeveelheid flux die door de polen heen gaat, variëren wanneer de acti— vatiestroom varieert, maar de polariteit van de magnetisatie zal niet veranderen. In bepaalde gevallen kan het zelfs gewenst zijn om een gedeelte van de magnetisatie te voorzien van een aparte gelijkstroomvoor-25 spanningswinding of van een permanente magneet. Men zal vanzelfsprekend begrijpen, dat iedere tussenliggende stap verkregen kan worden door de juiste keuze van de fazestromen.

Zoals in alle uitvoeringsvormen van de uitvinding getoond is, bezitten de motoren vier fazewindingen. Het is echter moge-30 lijk om het aantal fazen te veranderen. Het aantal fazen kan bijvoorbeeld verkleind worden van vier tot drie. Verder kan het aantal tanden of actieve elementen bij elke poolpositie gevarieerd worden, d.w.z. het kan vergroot worden ten opzichte van de in fig. 1 getoonde acht.

Ook het aantal poolposities kan gevarieerd worden.

35 In alle uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn de 7808466 4 —— — -- ...... -........

-16 - afstand tussen de tanden of elementen van het activerende orgaan of stator en het passieve orgaan of slede of rotor gelijk gehouden. Dit is niet noodzakelijk. Bijvoorbeeld zou om de andere tand of de slede of rotor verwijderd kunnen worden of het aantal tanden per lengte 5 eenheid zou voor de stator en de slede of rotor een weinig verschillend kunnen zijn. Ook kan de breedte van de tanden t ten opzichte van de steek p gevarieerd worden. De tanden 2h en de niet-magnetische inzet-sels 28 worden bijvoorbeeld in de fig. 3 en ^ met gelijke breedten getoond. Men zal begrijpen, dat dit verband gevarieerd kan worden en 10 in feite geniet het de voorkeur, dat de breedte van de tanden 2h ongeveer 33# van de breedte van de inzetsels 28 is.

Voor verschillende details van lineaire of draaibare stappenrotoren, welke in het voorgaande niet beschreven zijn, wordt verwezen naar "Theory and Application of Step Motors", uitgegeven door 15 Benjamin Kuo, West Publishing Co., 197^· Deze publikatie beschrijft bijvoorbeeld gedetailleerd de opbouw en de principes van stappenmoto-ren van het draaibare en lineaire soort.

De naam stappenmotor omvat in deze beschrijving de variabele reluctantiemotoren, die, vanwege hun magnetische opbouw, in 20 staat zijn om op zo'n wijze te werken, dat de beweging in discrete stappen plaats vindt. De naam. heeft echter ook betrekking op motoren van dit soort, die op zo'n wijze bediend worden, dat er een continue positionering plaats vindt.

Het is ook mogelijk om een inductiemotorwerking te 25 verkrijgen door de tanden van het passieve orgaan op een geschikte wijze in te bedden in een geleidend materiaal. Dit zou kunnen helpen bij het starten of synchroniseren of zou het dominante krachtmechanisme kunnen verschaffen.

Alhoewel er specifieke uitvoeringsvormen van de uit- 30 vinding getoond en beschreven zijn, zal men begrijpen, dat andere uitvoeringsvormen en wijzigingen die bij vakmensen op zullen kamen, binnen de strekking van deze uitvinding vallen, zoals deze door de bijbehorende conclusies gegeven wordt.

7808466

Claims (20)

1. Stappenmotor voor hoge prestaties gekenmerkt door: een statororgaan, omvattende een aantal poolposities, waarbij elk van de poolposities een aantal magnetische statorelementen aan tegenovergelegen zijden van een luchtspleet omvat, "waarbij niet-magnetisch 5 materiaal geplaatst is in de ruimten tussen de uiteinden van de magnetische statorelementen aan elk van de tegenover gelegen zijden van de luchtspleet: gewonden organen, die behoren bij het statororgaan, bij de poolposities voor het opwekken van fluxwegen dwars op de lucht-10 spleet; een passief, beweegbaar orgaan dat geplaatst is binnen de luchtspleet, omvattende een aantal passieve, magnetische beweegbare elementen en niet-magnetische discontinuïteiten, omvattende niet-magnetisch materiaal, die de beweegbare elementen scheiden, waarbij de 15 uiteinden van de beweegbare elementen geplaatst zijn naast de uiteinden van de statorelementen om zo de transversale fluxwegen, door de beweegbare elementen heen, te sluiten, waarbij het beweegbare orgaan en de beweegbare elementen zodanig opgeboud zijn, dat alle beweegbare elementen altijd opgenomen zijn in de luchtspleet, waarbij magnetische 20 kracht aan beide zijden van de luchtspleet op de magnetische beweegbare elementen werkt, waarbij het beweegbare orgaan verder niet-magne-tische discontinuïteiten omvatten, omvattende het niet-magnetische materiaal, om zo elke wezenlijke longitudinale fluxlekkage te elimineren.

2. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de discontinuxtéiten de fluxlekkage verminderen tot minder dan 25# van de flux door de fluxwegen.

3. Stappenmotor volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de discontinuïteiten de fluxlekkage verminderen tot minder dan 30 10# van de flux door de fluxwegen. k. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de minimale dikte van het magnetische materiaal in het beweegbare orgaan bij de discontinuïteiten minder dan 25# van de maximale dikte 7008466 18 - van het beweegbare orgaan is.

5. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de minimale dikte van het magnetische materiaal in het beweegbare orgaan bij de discontinuïteiten minder is dan 15% van de maximale dikte 5 van het beweegbare orgaan.

6. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het beweegbare orgaan een aantal tanden omvat aan tegenover gelegen zijden ervan om zo de beweegbare elementen gelegen naast de stator-elementen te vormen. 10 7· Stappenmotor volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het beweegbare orgaan een aantal openingen erin, tussen de tanden aan tegenover gelegen zijden ervan, omvat om de longitudinale fluxlekkage te minimaliseren.

8. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, 15 dat de beweegbare elementen discreet zijn en dat het beweegbare orgaan verder een aantal discrete, niet-magnetische elementen omvat die geplaatst zijn tussen de beweegbare elementen cm zo de longitudinale fluxlekkage wezenlijk te elimineren.

9. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, 20 dat het beweegbare orgaan een slede omvat, welke aangepast is voor een lineaire beweging door de luchtspleet.

10. Stappenmotor volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de slede kort is ten opzichte van de totale lengte van het sta-tororgaan.

11. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het beweegbare orgaan een vrijwel vlakke rotor omvat, die aangepast is voor een draaiende beweging door de luchtspleet.

12. Stappenmotor volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de beweegbare elementen een aantal discrete magnetische elementen 30 omvatten en dat de rotor verder een schijf omvat, die niet-magnetisch materiaal omvat, waarin de discrete, magnetische elementen bevestigd zijn.

13. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het beweegbare orgaan een kcmachtige rotor omvat, die aangepast is 35 voor een draaiende beweging door de luchtspleet. ; 308468 * -19 ~ V " .............. “ ............ 1U. Stappenmotor volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de beweegbare elementen discrete magnetische elementen omvatten en dat de komachtige rotor een kom omvat, welke niet-magnetisch materiaal omvat, waarin de discrete magnetische elementen bevestigd zijn.

15. Stappenmotor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het gewonden orgaan slechts aan één zijde van de luchtspleet bij het stator-orgaan behoort. i

16. Stappenmotor volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat het beweegbare orgaan een slede omvat, die aangepast is voor een 10 lineaire beweging door de luchtspleet.

17. Stappenmotor volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de slede kort is ten opzichte van de totale lengte van het stator-orgaan.

18. Stappenmotor volgens conclusie 15, met het kenmerk, 15 dat de slede een aantal tanden aan tegenover gelegen zijden ervan omvat, om zo de beweegbare elementen gelegen naast de statorelementen te vormen.

19. Stappenmotor volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de slede een aantal openingen erin, tussen de tanden aan tegenover 20 gelegen zijden ervan , omvat om zo de longitudinale flux-lekkage te minimaliseren.

20. Stappenmotor volgens conclusie 17, met het kenmerk, dat de beweegbare elementen discreet zijn en dat de slede verder een aantal discrete niet-magnetische elementen omvat, die geplaatst zijn 25 tussen de beweegbare elementen om zo de longitudinale fluxlekkage wezenlijk te elimineren.

21. Stappenmotor volgens conclusie 1^, met het kenmerk, dat het beweegbare orgaan een vrijwel planaire rotor crnvat, die aangepast is voor een draaiende beweging door de luchtspleet.

22. Stappenmotor volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat de beweegbare elementen een aantal discrete, magnetische elementen omvatten en dat de rotor verder een schijf crnvat, die niet-magnetisch materiaal omvat, waarin de discrete, magnetische elementen bevestigd zijn.

23. Stappenmotor volgens conclusie 1U, met het kenmerk, 7308466 * -20 - dat het beweegbare orgaan een komachtige rotor omvat, die aangepast is voor een draaiende beweging door de luchtspleet. 2k. Stappenmotor volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat de beweegbare elementen discrete, magnetische elementen omvatten 5 en dat de komachtige rotor een kom omvat, welke niet-magnetisch materiaal omvat, waarin de discrete, magnetische elementen bevestigd zijn. :308466